蜉蝣翅膀紫外反射的性别差异及其视觉通讯意义

本研究首次揭示了蜉蝣（Ecdyonurus gr. venosus）透明膜质翅膀在成虫（imago）和亚成虫（subimago）阶段均能反射紫外（UV）光的现象。通过光学显微镜、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）技术，研究人员发现雌性成虫翅膀的UV反射强度显著高于雄性，且反射光谱与雄性复眼最大敏感波长匹配，表明翅膀可能作为重要的视觉交配信号。该研究为理解昆虫UV敏感性的生态意义及仿生光学材料开发提供了新视角。

　　

在昆虫的进化历程中，翅膀不仅是飞行的工具，更成为视觉信号传递的重要载体。然而，对于蜉蝣这类古老而脆弱的昆虫，其翅膀的光学特性长期被忽视。蜉蝣成虫寿命短暂，交配行为高度依赖视觉线索，但透明翅膀是否参与这一过程尚不明确。此外，UV反射在昆虫通讯中广泛存在，但蜉蝣这类缺乏色素结构的类群如何实现UV信号传递仍是谜题。

为解决这些问题，来自国内高校的研究团队以蜉蝣Ecdyonurus gr. venosus为模型，通过多尺度分析揭示了其翅膀的UV反射机制及生态意义。研究发现，成虫翅膀在280-399 nm波段表现出显著的UV反射，且雌性反射强度比雄性高30%，这与雄性复眼对345-365 nm的峰值敏感度相匹配。这种性别差异暗示翅膀UV反射可能作为交配信号。研究还发现，亚成虫翅膀虽能反射UV，但强度较低且无性别差异，而蜡晶体纳米棒（长430±70.9 nm）的定向排列赋予成虫翅膀广角抗反射特性。该成果发表于《Journal of Insect Physiology》，为理解昆虫视觉通讯的进化及仿生光学材料设计提供了新思路。

研究采用的关键技术包括：1）立体显微镜观察翅膀光学特性；2）场发射扫描电镜（FE-SEM）分析蜡晶体形貌；3）透射电镜（TEM）解析翅膀超微结构；4）分光光度计测量反射/透射光谱；5）统计学方法比较性别和发育阶段差异。实验样本来自意大利Nera河流域采集的蜉蝣若虫，实验室条件下培育至成虫阶段。

3. 结果
3.1 形态学特征
成虫翅膀覆盖纳米级蜡晶体（图3），而亚成虫翅膀表面为均匀分布的微刺（acanthae）。TEM显示成虫翅膀由多层电子密度交替的角质层构成（图4），这种薄层结构可能是UV干涉反射的基础。雌性成虫翅膀总厚度（2196.4±375.3 nm）显著大于雄性（1298.7±36.5 nm）（表1）。

3.2 光学特性
反射光谱显示，雌性成虫翅膀在330 nm处UV反射率达30%，显著高于雄性（图5a-d）。这种差异具有角度依赖性，最大反射发生在45°检测角（图6a），证实其结构色本质。蜡晶体去除后，可见光反射增强，证实其广角抗反射功能（图6d）。

4. 讨论
4.1 生态意义
蜉蝣复眼具有昆虫中最丰富的UV视蛋白基因（如Cloeon dipterum含15个UV opsin），本研究首次将翅膀UV反射与视觉敏感度关联。雌性更强的UV信号可能帮助雄性在群舞中快速识别配偶，而动态反射特性（"闪光色"）也可能干扰鸟类捕食者的定位。

4.2 结构机制
多层角质层干涉是UV反射的主因，但蜡晶体通过散射作用调制光谱（图6c-d）。亚成虫因缺乏蜡层且角质层较厚（6218.8±821.9 nm），反射模式更弥散。这种发育差异暗示蜡晶体在成虫期具有信号优化功能。

4.3 仿生应用
蜉蝣蜡晶体的无序纳米柱结构（间距133.2±5.7 nm）展现出优于周期性结构的广角抗反射性能，为太阳能电池板等光学设备设计提供了仿生模板。

该研究突破了传统认为"透明翅膀无光学功能"的认知，揭示了蜉蝣通过纳米级结构调控UV反射的进化策略。未来研究可拓展至更多蜉蝣物种，并结合行为实验验证UV信号在交配选择中的作用。这一发现也为开发动态光学材料和生态友好型害虫防控技术提供了新方向。