Batendo lentamente suas asas laranja e pretas, uma borboleta monarca sorve o líquido de um pedaço de lama. Sua probóscide - a parte bucal que suga os líquidos - roça o solo úmido. Por anos, os biólogos sabiam que as borboletas extraíam líquidos de superfícies com poros de maneira diferente do que extraem de flores. Mas eles não tinham como observar essas diferenças.

"Os biólogos sabiam deste modo de alimentação, mas não tinha ferramentas para observar o que estava acontecendo, "disse Daria Monaenkova, que estudou esse comportamento como estudante de graduação na Clemson University.

Os microscópios sozinhos não podiam revelar o que Monaenkova queria estudar. Mas uma técnica relativamente nova usando um raio-X extremamente poderoso acabou sendo a coisa certa. Usando a fonte avançada de fótons do DOE, uma instalação de usuário do Office of Science no Argonne National Laboratory, Monaenkova e outros pesquisadores conseguiram fazer vídeos de alta resolução do interior de insetos vivos.

Na última década, o APS tem sido o lar de cientistas especializados em biomecânica de insetos para fazer pesquisas que não podem fazer em nenhum outro lugar. Cientistas estudando borboletas, mosquitos, e os besouros têm usado o APS para revelar novos insights sobre como eles funcionam e, potencialmente, inspirar a tecnologia com base nessas funções.

Visão de raio-x da vida real

Os cientistas que estudam insetos precisam de ferramentas que possam olhar através de seus esqueletos externos rígidos, revelar características de tecidos moles, registre movimentos que duram um milésimo de segundo, e mostram detalhes com um milionésimo de metro de comprimento. Acima de tudo, eles precisam capturar como esses sistemas funcionam em tempo real. Microscópios normais não podem atender a muitas dessas necessidades.

Mas os raios-X síncrotron, que são produzidos por aceleradores de partículas, posso. Assim como os médicos usam raios-X para olhar dentro de corpos humanos, os cientistas podem usá-los para examinar o interior dos corpos dos insetos. Os raios X são especialmente úteis para tirar imagens de estruturas que têm densidades diferentes, como aparelhos bucais e sistemas digestivos.

Não basta qualquer raio-X. Os cientistas não conseguem controlar feixes de raios-X regulares o suficiente para conduzir esses experimentos. Mas as fontes de luz das instalações do usuário do Office of Science produzem raios X extraordinariamente poderosos que fornecem aos cientistas um controle muito preciso. No caso do APS, é controle suficiente olhar dentro de um inseto sem vaporizá-lo.

Esses raios X se movem para estações experimentais onde os cientistas realizam estudos. Cada linha de luz APS possui ótica de raio-X que pode selecionar a energia do raio-X e focalizá-la na estação para atender às necessidades dos cientistas. Os raios X se movem através do objeto que está sendo estudado e vão para um cintilador - um cristal especializado que transforma os raios X em luz visível. Uma câmera de última geração captura a luz visível no vídeo.

"É como se um mundo totalmente novo fosse revelado, "disse Jake Socha, professor de engenharia biomecânica na Virginia Tech. "Quase tudo que você pode colocar na viga, você está vendo essa perspectiva nova pela primeira vez. "

Mesmo para as pessoas que se especializam em máquinas de raio-X, a clareza das imagens é surpreendente. Wah-Keat Lee, um pesquisador de raios-X que estava no APS e agora está no NSLS-II, um recurso de usuário diferente do Office of Science, foi o pioneiro na técnica. Descrevendo a primeira vez que viu os resultados, ele disse, "A clareza das estruturas internas do pequeno inseto foi fenomenal."

O APS alcança essa clareza com uma muito intensa, energia alta, feixe estreito que também tem alto brilho (a quantidade de luz que ele pode focar em um determinado lugar em um determinado momento). Como uma câmera com alta velocidade do obturador que requer muita luz, brilho é importante para capturar movimentos extremamente rápidos. Em um experimento, cientistas capturaram vídeo de raios-X a uma taxa de mais de 10, 000 quadros por segundo. Os filmes em cinemas comerciais têm normalmente 24 quadros por segundo.

"As fontes de luz ainda têm uma enorme vantagem em velocidade, "disse Socha, comparando-os com outras tecnologias de imagem.

Mais importante, fontes de luz podem fazer imagens de contraste de fase. As máquinas normais de raio-X baseiam-se no fato de que objetos densos - como ossos - absorvem muitos raios-X. Esses raios X não chegam ao detector e seções da imagem ficam escuras. Mas os insetos não têm nada tão denso quanto ossos. Como resultado, seus corpos absorvem menos raios-X e não produzem uma imagem nítida. A imagem de raios-X com contraste de fase resolve esse problema. Mesmo que objetos leves não absorvam muitos raios-X, eles mudam suas ondas. Como os detectores de contraste de fase podem medir essas mudanças, eles são mais sensíveis a pequenas diferenças de densidade do que as máquinas tradicionais. Na verdade, usando imagens do APS, os cientistas podiam distinguir entre os fluidos e o ar no canal alimentar de um inseto.

"Leva você de uma imagem difusa de uma bolha para uma imagem realmente nítida de um inseto, "disse Socha.

Examinando o funcionamento interno dos insetos

Enquanto os cientistas estudam objetos inanimados em fontes de luz têm que lidar com uma série de desafios, pelo menos eles não precisam se preocupar com eles voando para longe.

Antes que eles possam lidar com os próprios insetos, os pesquisadores devem decidir sobre as configurações da máquina que resultem nas melhores imagens e menos danos aos insetos. Quanto maior o comprimento de onda do raio-X, melhor o contraste. De forma similar, quanto mais intenso o feixe, mais clara e clara a imagem. Mas quanto maior o comprimento de onda e mais intenso o feixe, mais o raio X danifica o inseto. Esse dano pode fazer o inseto agir de forma anormal ou matá-lo. (Enquanto os cientistas muitas vezes matam os insetos depois que o estudo é concluído, eles não querem que morram no meio.)

Um estudo anterior que testou uma variedade de insetos descobriu que, embora cinco minutos sob o feixe de luz não parecesse ter um efeito negativo na maioria das espécies, mais de 20 minutos os paralisaram temporariamente. Mesmo com aquela pesquisa anterior, as equipes ainda passam suas primeiras seis a oito horas no APS decidindo sobre as configurações de seus experimentos.

"Há muitas tentativas e erros. Você não vai entrar lá dentro de meia hora após a configuração e começar a coletar dados, "disse Matthew Lehnert, um entomologista da Kent State University.

O próximo desafio envolve manter seus objetos voadores e rastejantes parados.

"Você não pode simplesmente sentar algo na frente de uma viga e dizer, 'Não se mova, '"disse Lehnert.

Depois de nocautear os insetos usando gás nitrogênio ou resfriando-os, os cientistas usam técnicas surpreendentemente de baixa tecnologia para prendê-los às plataformas. Alguns pesquisadores os prendem ou cercam com algodão ou argila de modelar. Cientistas que estudavam mosquitos os fixaram na superfície com esmalte de unha. O jornal até cita a marca, para outros pesquisadores na esperança de reproduzir o trabalho.

"O esmalte é uma ótima ferramenta para o laboratório, "disse Socha.

O próximo passo é motivar os insetos a realizar o comportamento desejado. Para borboletas e mosquitos, os pesquisadores queriam observar seus hábitos alimentares. Mas a solução normal de açúcar não aparecerá no raio-X. Os cientistas trabalharam com os membros da equipe da APS para escolher uma forma de iodo que pudessem misturar na solução de açúcar que criaria uma imagem nítida e as borboletas estariam dispostas a comer.

Com besouros bombardeiros, os cientistas queriam entender como eles podem criar, aquecer, e atire um spray líquido em temperaturas próximas à de ebulição. Mas os besouros não borrifam sob comando. Alguns borrifaram assim que acordaram, assustado com o fato de que havia um raio-X explodindo-os. Com outros, os cientistas tiveram que cutucá-los com um alfinete.

Embora o processo não seja agradável para insetos individuais, o que os cientistas aprendem pode ajudá-los a compreender melhor a espécie inteira e sua evolução como um todo.

Borboletas e Besouros e Mosquitos, Oh meu

As imagens resultantes fizeram a experimentação valer a pena.

Para borboletas, Monaenkova e seus colegas descobriram que a probóscide age como uma combinação de uma esponja e um canudo. A estrutura semelhante a uma esponja na ponta da tromba cria ação capilar, a capacidade dos líquidos de fluir para cima sem uma força de sucção. Isso ajuda as borboletas a iniciar o processo de absorção de líquidos de materiais porosos, pequenas gotas, e poças. Um mecanismo na cabeça da borboleta bombeia o líquido através da parte semelhante a um canudo da tromba.

“Sem esta ferramenta, a pesquisa que fizemos não seria possível, "disse Monaenkova.

Esta descoberta pode ajudar os cientistas a desenvolver novas tecnologias para ferramentas que capturam líquidos ou entregam remédios ao corpo das pessoas.

No caso dos mosquitos, os pesquisadores também descobriram um novo modo de alimentação. As cabeças dos mosquitos têm duas bombas diferentes que sugam o líquido. Ao observar quais partes tinham comida em cada momento, os cientistas descobriram quanto cada bomba contribuiu para o fluxo geral. Eles descobriram um novo modo de sugar que é 27 vezes mais poderoso do que o normal. Pesquisas adicionais nessa área podem ajudar os cientistas a entender melhor como os mosquitos transmitem doenças como o vírus Zika.

Os cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e da Universidade do Arizona que estudam besouros bombardeiros queriam rastrear cada estágio da reação química que leva ao spray dos besouros. Mapeando como o vapor se formou, expandido, e movido ajudou-os a entender como o corpo do besouro controla o processo.

Em todo caso, a APS revelou mecanismos que os cientistas não tinham outra forma de pesquisar.

Como Lee disse, "O trabalho que fizemos aqui realmente mudou os livros didáticos."