Die Verwandlung eines Schmetterlings – von der Raupe über die Puppe bis zum farbenprächtigen Falter – gehört zu den faszinierendsten Wundern der Natur.

Ein internationales Forschungsteam hat nun bei dieser Metamorphose eine bislang unbekannte Feinheit entdeckt: Im Inneren der Puppen von Parides sesostris, einer in Panama heimischen Schmetterlingsart, entsteht ein winziges 3D-Geflecht, das später für die leuchtend grünen Flügel sorgt.

Die Flügel dieses Schmetterlings enthalten einen sogenannten Gyroid – eine extrem komplexe Nanostruktur, die wie ein feinporiges Netzwerk aufgebaut ist. In den Flügelschuppen wirkt der Gyroid wie ein winziger Kristall, der Licht bricht und reflektiert. Dadurch entsteht die auffällige grüne Farbe – ganz ohne Farbpigmente.

Bislang nahm die Wissenschaft an, dass Gyroid-Strukturen im Inneren glatt sind. Doch Forschende der Universität Salzburg, der Murdoch University in Australien und weiterer Partnerinstitutionenhaben haben herausgefunden, dass sich während der Entwicklung die Struktur geflochten wie ein Seil oder Zopf darstellt. Erst später, wenn der Falter geschlüpft ist, verschwindet dieses Muster und die Struktur wirkt glatt.

„Wir waren überrascht, den Gyroid im Puppenstadium so verflochten zu sehen“, sagt Dr. Annie Jessop, Erstautorin der Studie und Postdoc an der Universität Salzburg. „Das Geflecht ist so winzig, dass man es nur unter dem Elektronenmikroskop erkennen kann. Doch im erwachsenen Schmetterling ist es verschwunden – wie das geschieht, ist die nächste spannende Frage.“

Begeistert zeigt sich auch Professor Bodo Wilts, Leiter der Arbeitsgruppe Materialoptik an der Universität Salzburg: „Diese Entdeckung verändert unsere Vorstellung davon, wie solch hochgeordnete Strukturen überhaupt entstehen können. Wir wissen noch nicht, wie Zellen es schaffen, in so kurzer Zeit so komplexe Netzwerke zu bauen. Mit neuen Bildgebungs- und Analysemethoden wollen wir dem auf den Grund gehen.“

Die Forschenden betonen außerdem, dass das Gyroid nicht nur bei Schmetterlingen vorkommt. Ähnliche Strukturen finden sich in Zellen und Geweben quer durch das gesamte Leben auf der Erde. „Doch wir verstehen bis heute kaum, wie sie entstehen und wozu sie genutzt werden“, erklärt Jessop.

Dass die Natur winzige Fasern zu einem 3D-Geflecht weben kann, könnte auch für die Materialforschung wegweisend sein, ergänzt Wilts: „Die Natur ist ein unerschöpflicher Ideengeber für neue Nanomaterialien. Je besser wir verstehen, wie sie solche Strukturen baut, desto mehr können wir daraus lernen.“

Die Studie – „Hierarchical woven fibrillar structures in developing single gyroids in butterflies“ – ist in „ PNAS“ erschienen. Gefördert wurde sie durch den Australian Research Council (Discovery Project DP200102593) sowie das Human Frontier Science Program (RGP0034/2021).

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Prof. Dr. Bodo Wilts | Professor of Materials Physics | Department of Chemistry and Physics of Materials
University of Salzburg
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