Sakta flaxar sina orange och svarta vingar, en monarkfjäril dricker vätska från en lera. Dess snabel - munstycket som suger upp vätskor - betar den fuktiga jorden. I åratal, biologer visste att fjärilar drog vätskor från ytor med porer annorlunda än de gör från blommor. Men de hade inget sätt att observera dessa skillnader.

"Biologerna kände till detta utfodringsläge, men hade inte verktyg för att observera vad som hände, "sa Daria Monaenkova, som studerade detta beteende som doktorand vid Clemson University.

Mikroskop ensamma kunde inte avslöja vad Monaenkova ville studera. Men en relativt ny teknik med en extremt kraftfull röntgen visade sig vara just saken. Med hjälp av DOE:s avancerade fotonkälla, en Office of Science -användaranläggning vid Argonne National Laboratory, Monaenkova och andra forskare har kunnat ta högupplösta videor av insekter av levande insekter.

Under det senaste decenniet har APS har varit ett hem för forskare som specialiserat sig på insektsbiomekanik för att forska som de inte kan göra någon annanstans. Forskare som studerar fjärilar, mygg, och skalbaggar har använt APS för att avslöja nya insikter om hur de fungerar och potentiellt inspirera teknik baserat på dessa funktioner.

Real-Life X-Ray Vision

Forskare som studerar insekter behöver verktyg som kan titta igenom deras hårda yttre skelett, avslöja egenskaper hos mjukvävnad, spela in rörelser som är en tusendels sekund långa, och visa detaljer som är en miljonedel av en meter lång. Mest av allt, de måste fånga hur dessa system fungerar i realtid. Vanliga mikroskop kan inte uppfylla många av dessa behov.

Men synkrotronröntgen, som produceras av partikelacceleratorer, burk. Precis som läkare använder röntgenstrålar för att titta in i människokroppar, forskare kan använda dem för att titta in i insektsorgan. Röntgenstrålar är särskilt användbara för att ta bilder av strukturer som har olika densiteter, som munstycken och matsmältningssystem.

Inte bara någon röntgen kommer att göra. Forskare kan inte kontrollera vanliga röntgenstrålar tillräckligt för att genomföra dessa experiment. Men Office of Science användaranläggningens ljuskällor producerar utomordentligt kraftfulla röntgenstrålar som ger forskare mycket fin kontroll. När det gäller APS, det är tillräckligt med kontroll för att titta in i en insekt utan att förånga den.

Dessa röntgenstrålar rör sig till experimentstationer där forskare kör studier. Varje APS-strållinje har röntgenoptik som kan välja röntgenens energi och fokusera den till stationen för att möta forskarnas behov. Röntgenstrålarna rör sig genom objektet som studeras och går in i en scintillator-en specialiserad kristall som omvandlar röntgenstrålar till synligt ljus. En avancerad kamera fångar det synliga ljuset på video.

"Det är som att en helt ny värld avslöjas, "sa Jake Socha, professor i biomekanisk teknik vid Virginia Tech. "Nästan allt du kan stoppa i strålen, du ser det perspektivet nytt för första gången. "

Även för de människor som är specialiserade på röntgenapparater, tydligheten i bilderna är överraskande. Wah-Keat Lee, en röntgenforskare som var på APS och nu är på NSLS-II, en annan Office of Science -användaranläggning, föregångare till tekniken. Beskriver första gången han såg resultaten, han sa, "Tydligheten hos de små insekternas inre strukturer var ganska fenomenal."

APS uppnår denna tydlighet med en mycket intensiv, hög energi, tät stråle som också har hög ljusstyrka (mängden ljus som den kan fokusera på en viss plats vid en viss tidpunkt). Som en kamera med hög slutartid som kräver mycket ljus, briljans är viktigt för att fånga extremt snabba rörelser. I ett experiment, forskare fångade röntgenvideo med en hastighet av mer än 10, 000 bilder per sekund. Filmer på kommersiella teatrar är vanligtvis 24 bilder per sekund.

"Ljuskällorna har fortfarande en enorm fördel i hastighet, "sa Socha, att jämföra dem med andra bildtekniker.

Viktigast, ljuskällor kan göra fas-kontrastavbildning. Normala röntgenapparater förlitar sig på att täta föremål-som ben-absorberar mycket röntgenstrålar. Dessa röntgenstrålar når inte detektorn och delar av bilden blir mörka. Men insekter har inget så tätt som ben. Som ett resultat, deras kroppar absorberar färre röntgenstrålar och ger ingen skarp bild. Faskontraströntgenbildning löser detta problem. Även om ljusa föremål inte absorberar många röntgenstrålar, de ändrar sina vågor. Eftersom faskontrastdetektorer kan mäta dessa förändringar, de är mer känsliga för små skillnader i densitet än traditionella maskiner. Faktiskt, med bilder från APS, forskare kunde skilja mellan vätskor och luft i en insekts matkanal.

"Det tar dig från en suddig bild av en klump till en riktigt skarp bild av en insekt, sa Socha.

Undersöker insekters inre arbete

Medan forskare som studerar livlösa föremål vid ljuskällor måste hantera ett antal utmaningar, åtminstone behöver de inte oroa sig för att de flyger iväg.

Innan de kan hantera insekterna själva, forskare måste besluta om maskinens inställningar som resulterar i de bästa bilderna och minst skada på insekterna. Ju längre röntgenens våglängd, desto bättre kontrast. Liknande, ju mer intensiv strålen är, ju ljusare och tydligare bilden är. Men ju längre våglängd och desto starkare stråle, desto mer skadar röntgen insekten. Denna skada kan få insekten att verka onaturligt eller döda dem. (Även om forskare ofta dödar buggarna efter att studien är klar, de vill inte att de ska dö halvvägs.)

En tidig studie som testade en mängd olika insekter fann att medan fem minuter under strålen inte tycktes ha en negativ effekt på de flesta arter, mer än 20 minuter förlamade dem tillfälligt. Även med den tidigare forskningen, lag tillbringar fortfarande sina första sex till åtta timmar på APS för att bestämma om experimentets inställningar.

"Det finns mycket försök och fel. Du kommer inte att gå in där inom en halvtimme efter installationen och börja samla in data, "sade Matthew Lehnert, en entomolog vid Kent State University.

Nästa utmaning innebär att hålla sina flygande och krypande motiv stilla.

"Du kan inte bara sitta framför en stråle och säga, 'Rör dig inte, sa Lehnert.

Efter att ha slagit ut insekterna med hjälp av kvävgas eller genom att kyla dem, forskare använder överraskande lågteknologiska tekniker för att fästa dem på plattformar. Vissa forskare klämmer fast dem eller omger dem med bomull eller modellerlera. Forskare som studerar mygg fäst dem på ytan med nagellack. Tidningen citerar till och med märket, för andra forskare som hoppas kunna reproducera verket.

"Nagellack är ett bra verktyg för labbet, sa Socha.

Nästa upp är att motivera insekter att utföra det önskade beteendet. För fjärilar och mygg, forskare ville observera sina matvanor. Men normal sockerlösning kommer inte att dyka upp på röntgen. Forskarna arbetade med APS -anställda för att välja en form av jod som de kunde blanda i sockerlösningen som både skulle skapa en tydlig bild och fjärilar skulle vara villiga att äta.

Med bombardierbaggar, forskarna ville förstå hur de kan skapa, värme, och skjut en vätskespray vid temperaturer nära kokning. Men skalbaggar sprutar inte på kommando. Några sprutade så fort de vaknade, förvånad över att det var en röntgenstrålning som sprängde dem. Med andra, forskarna fick peta dem med en nål.

Även om processen inte är trevlig för enskilda insekter, vad forskare lär sig kan hjälpa dem att bättre förstå hela arten och dess utveckling som helhet.

Fjärilar och skalbaggar och myggor, Åh min

De resulterande bilderna gjorde experimentet värt det.

För fjärilar, Monaenkova och hennes kollegor upptäckte att snabeln fungerar som en kombination av en svamp och ett sugrör. Den svampliknande strukturen vid spetsen av snabeln skapar kapillärverkan, vätskornas förmåga att flöda uppåt utan sugkraft. Det hjälper fjärilarna att starta processen att ta upp vätska från porösa material, små droppar, och pölar. En mekanism i fjärilens huvud pumpar sedan upp vätskan genom halmliknande delen av snabeln.

"Utan detta verktyg, den forskning vi gjorde skulle inte vara möjlig, sa Monaenkova.

Denna upptäckt kan hjälpa forskare att utveckla ny teknik för verktyg som fångar upp vätskor eller levererar medicin till människors kroppar.

När det gäller mygg, forskare hittade också ett nytt sätt att mata. Mygghuvuden har två olika pumpar som suger upp vätska. Genom att titta på vilka delar som hade mat i dem vid varje tillfälle, forskare räknade ut hur mycket varje pump bidrog till det totala flödet. De hittade ett nytt sugläge som är 27 gånger kraftfullare än det vanliga. Ytterligare forskning på detta område kan hjälpa forskare att bättre förstå hur myggor överför sjukdomar som Zika -viruset.

Forskarna från Massachusetts Institute of Technology och University of Arizona som studerade bombardierbaggar ville spåra varje steg i den kemiska reaktionen som leder till skalbaggarnas spray. Kartlägga hur ångan bildades, expanderat, och flyttade hjälpte dem att förstå hur skalbaggens kropp styr processen.

I alla fall, APS avslöjade mekanismer som forskare inte hade något annat sätt att undersöka.

Som Lee sa, "Det arbete vi gjorde här ändrade faktiskt läroböcker."