Connecting bioloy, optics and nanomechanical properties in micro-wasps

Abstract

Coloration in insects provides a fruitful opportunity for interdisciplinary research involving both physics and biology, and for a better understanding of the design principles of biological structures. In this research we used nanometric and micrometric analyses to investigate the morphological and mechanical properties of the black-orange-black (BOB) color pattern in scelionid wasps, which has never been studied. The primary objective of the present investigation was to explore the structural and mechanical differences in the mesoscutum of four species: Baryconus with an orange mesosoma (i.e. BOB pattern), all black Baryconus, Scelio with an orange mesosoma (i.e. BOB pattern), and all black Scelio. The most outstanding findings include the absence of multilayer structures that generate structural color, a pigment concentrated in the upper surface of the epicuticle, and surprising differences between the four species. Three of the four species showed an accordion-like structure in the furrow (notaulus), whereas the adjacent mesoscutum was different in each species. Moreover, the normalized color component spectra for blue, green and red colors of the black mesoscutum of each genus showed the same spectral dependence while the orange color manifested small changes in the dominant wavelength, resulting in slightly different orange tones.

La coloración en insectos brinda una oportunidad fructífera para la investigación interdisciplinaria que involucra tanto la física como la biología, y para una mejor comprensión de los principios de diseño de estructuras biológicas. En esta investigación utilizamos análisis nanométricos y micrométricos para investigar las propiedades morfológicas y mecánicas del patrón de color negro-naranja-negro (BOB) en avispas esceliónidas, que nunca ha sido estudiado. El objetivo principal de la presente investigación fue explorar las diferencias estructurales y mecánicas en el mesoscutum de cuatro especies: Baryconus con un mesosoma naranja (es decir, patrón BOB), todo Baryconus negro, Scelio con un mesosoma naranja (es decir, patrón BOB), y todos Scelio negro. Los hallazgos más destacados incluyen la ausencia de estructuras multicapa que generen color estructural, un pigmento concentrado en la superficie superior de la epicutícula y sorprendentes diferencias entre las cuatro especies. Tres de las cuatro especies mostraron una estructura similar a un acordeón en el surco (notaulus), mientras que el mesoscutum adyacente fue diferente en cada especie. Además, los espectros de componentes de color normalizados para los colores azul, verde y rojo del mesoscutum negro de cada género mostraron la misma dependencia espectral mientras que el color naranja manifestó pequeños cambios en la longitud de onda dominante, lo que resultó en tonos anaranjados ligeramente diferentes.