Zoologie: Des Kaisers neue Kleider - Calopteryx virgo

[Fahrenheit]

Liebe Freunde,

hier mal etwas aus der Welt der Tiere. Auf einem Waldspaziergang haben wir ein Brustsegment einer Blauflügel-Prachtlibelle (Calopteryx virgo) mit zwei ganz gut erhaltenen Flügeln (Vorder- und Hinterflügel der rechten Seite) gefunden. Diese irisieren im Sonnenlicht wunderschön blau-grün, es handelte sich also um ein männliches Tier.

Daher auch der seltsame Titel: im Kunstlicht und insbesondere fertig präpariert im Ethanol erscheint der Flügel braunschwarz. Nur bei extremen Seitenlicht tauchen die faszinierenden Farben wieder auf. Der Kaiser ist zwar nicht nackt, aber unscheinbar ...

Somit ist auch klar, dass es sich nicht um Farbpigmente im Flügel handeln kann, sondern ähnlich wie bei schillernden Schmetterlingsschuppen Mikrostrukturen auf den Flügelhäuten über Beugungseffekte für die Farben sorgen. Also flott auf die Suche gemacht.

Wie bei meinen Pflanzendarstellungen üblich, auch hier kurz einige Informationen zur Blauflügel-Prachtlibelle:

Die Blauflügel-Prachtlibelle (Calopteryx virgo), auch Gemeine Seejungfer genannt, ist eine Libellenart aus der Familie der Prachtlibellen (Calopterygidae) innerhalb der Kleinlibellen. Sie ist neben der Gebänderten Prachtlibelle (Calopteryx splendens) die einzige Art der Prachtlibellen in Mitteleuropa und fällt vor allem durch die namengebenden blauen Flügel der Männchen auf. Ihre Imago erreicht eine Flügelspannweite von 6,5 bis 7 Zentimetern.

Das Verbreitungsgebiet von Calopteryx virgo umfasst ganz Europa mit Ausnahme der südwestlichen Iberischen Halbinsel, der Balearen sowie Island. Im Norden reicht es bis an das arktische Eismeer und damit deutlich weiter nördlich als jenes der Gebänderten Prachtlibelle. An der nordafrikanischen Mittelmeerküste sind ihre südlichsten Populationen in Marokko und Algerien zu finden. Üblicherweise findet man die Tiere in Niederungen, aber auch Funde bis hinauf auf etwa 1200 Meter sind bestätigt.

Bild 1: Männchen der Blauflügel-Prachtlibelle (Aufnahme von Luc Viatour unter CC BY-SA 3.0, Wikipedia)


Auffallend ist bei dieser Art vor allem die Flügelfärbung. So sind die Flügel der Männchen vollständig blaugrün und die der Weibchen durchscheinend bräunlich bis kupfern gefärbt. Wie bei allen Prachtlibellen sind sie sehr breit und besitzen keinen stielartigen Ansatz. Die Flügel sind außerdem von einem dichten Adernetz durchzogen und besitzen kein Flügelmal (Pterostigma). Bei den Weibchen ist jedoch ein falsches Flügelmal vorhanden, bei dem eine dichtere Aderung vorliegt.

Bild 2: Weibliches Tier (Aufnahme von Nicolas Sanchez unter CC BY-SA 3.0, Wikipedia)


Eine Verwechslungsgefahr besteht aufgrund der sehr deutlichen Färbung innerhalb des Verbreitungsgebietes nur mit der Gebänderten Prachtlibelle, die dieser Art auch in der Lebensweise sehr stark ähnelt. Bei dieser ist die blaue Färbung der Männchen allerdings nur auf einen Teil des Flügels beschränkt, die Basis ist zu etwa einem Drittel immer durchscheinend, und Teile der Flügelspitze sind im Regelfall auch farblos. Als weiteres Unterscheidungsmerkmal dient die Unterseite der letzten drei Hinterleibssegmente, die bei der Gebänderten Prachtlibelle gelblich-weiß und bei der Blauflügel-Prachtlibelle leuchtend rot sind. Der Körper und die Flügel der Weibchen der Gebänderten Prachtlibelle sind metallisch-grün statt bräunlich. Vor allem bei frisch gehäuteten und noch nicht ausgefärbten Libellenweibchen besteht eine große Verwechslungsgefahr zwischen den beider Arten.

Bild 3: Illustrationen von Calopteryx virgo und Calopteryx splendens aus British dragonflies (Odonata) London,L.U. Gill,1900 - gemeinfrei (Wikipedia)


Die Larven der Blauflügel-Prachtlibelle entwickeln sich über 10 bis 12 Larvenstadien, zwischen denen jeweils eine Häutung stattfindet. Die Körperlänge der Tiere ist sehr variabel und stark abhängig von den Umweltbedingungen, aus diesem Grunde werden in der Literatur die vergleichenden Körpergrößen auf der Basis der Kopfbreite angegeben. Diese beträgt beim finalen Stadium (F-0-Stadium) der Larve zwischen 3,5 und 4,6 Millimeter und das Körpergewicht liegt mit etwa 4 Milligramm leicht unter dem der Gebänderten Prachtlibelle. Abgesehen davon sind die Larven der Prachtlibellen nur schwer voneinander zu unterscheiden, die erkennbaren Unterschiede liegen dabei vor allem in der Beborstung und der Ausprägung der Tracheenkiemen am Hinterleib. Im Vergleich zu anderen Kleinlibellen fallen Prachtlibellenlarven dagegen sofort aufgrund ihres deutlich verkürzten mittleren Kiemenblattes auf.

Bild 4: Eine Larve von Calopteryx virgo in Rückenlage mit Fangmaske (Aus Wikipedia von User Wlodzimierz unter CC BY-SA 4.0)


Der Körperbau der Larven zeigt nur eine relativ geringe Anpassung an die schnell fließenden Gewässer ihres Lebensraums. Der Körper ist nicht abgeflacht, sondern sehr schlank und drehrund, die Beine sind lang und besitzen an ihrem Ende kräftige Krallen, mit denen sie sich in der Vegetation festhalten können. Da sie sich innerhalb des Wasserkörpers allerdings vornehmlich in den ruhigeren Bereichen aufhalten, ist die Gefahr, mit der Strömung verdriftet zu werden, relativ gering. Passiert dies dennoch, strecken sie ihren langen Körper und die Beine möglichst weit, um in Kontakt mit der Vegetation oder dem Substrat zu kommen.


Mikroskopischen Bildern vom rechten Vorderflügel

Schauen wir uns nun einen Flügel unter dem Mikroskop an. Libellenflügel werden nicht eingehakt sondern einzeln bewegt, was zu der erstaunlichen Wendigkeit dieser großen Fluginsekten führt. Daher reicht hier der Blick auf die Vorderkante des Flügels.

Bild 5: Vorderkante des rechten vorderen Flügels der Blauflügel-Prachtlibelle; mit Maßstab, Stapel aus 44 Bildern


Der Flügel ist durch ein feines Netz versteift; die einzelnen Feldern werden durch eine Haut gebildet. Zumindest auf dieser müssten die erwarteten Mikrostrukturen zu sehen sein. Der Flügelrand ist besonders versteift und gezackt. Die Form dient dazu, Luftwirbel so klein wie möglich zu halten. In den "Streben" sind schon Tracheen zu erkennen, die den gesamten Flügel durchziehen.

Bild 6: Bei höherer Vergrößerung sind die Tracheen sehr schön tu sehen; mit Maßstab, Stapel aus 70 Bildern
 

In den Feldern ist nichts zu sehen, die Isobaren gleichenden feinen Linien sind Stacking-Artefakte.

Bild 7: Mit dem 40er Objektiv das gleiche Bild; mit Maßstab, Stapel aus 54 Bildern


Wieder nichts! Dafür schöne Tracheen und auch die Feinstruktur der Zacken am Flügelrand wird noch besser sichtbar. Dafür haben wir am rechten Bildrand ein Stacking-Artefakt, dass hartnäckig am Platz bleibt, auch ein invertierter Stapel bring keine Besserung.
Nun, jetzt muss also das 100x ran, raus mit dem Öl:

Bild 8: Im Ölbad zeigt sich auch nichts ... . Mit Maßstab, Stapel aus 27 Bildern


Leider lässt sich die sicherlich vorhandene Struktur, die für die Beugungsfarben verantwortlich ist, mit meinen Möglichkeiten nicht darstellen. Vermutlich auch, weil das verwendete Euparal vom Brechungsindex zu nah an dem des Chitins liegt.

Bei Pflanzen findet man ja immer was, bei tierischem Material wohl nicht unbedingt. Aber Spaß gemacht hat es trotzdem und so ist der Flügel nicht ungenutzt unter gegangen.

Auch hier sind Anregungen und Kritik gerne willkommen.

Herzliche Grüße
Jörg

[Horst Wörmann]

Lieber Jörg,

die Bilder 5 bis 8 zeigen im Hellfeld-Durchlicht farblose Flügel. Wie sieht das eigentlich auf dunklem Hintergrund im Auflicht aus? Wenn die Flügel schon im Euparal sind, geht es natürlich nicht.

Viele Grüße
Horst

[Fahrenheit]

Lieber Horst,

auf die Schnelle: doch, das geht auch im Euparal mit einer Jansjö mit seitlicher schiefen Beleuchtung.

Ich schau heute abend mal, ob sich da irgendwelche Details geraus kitzel lassen.

Herzlich eGrüße
Jörg

p.s.
Vielleicht hat jemand schon Erfahrungen mit schillernden Insektenflügeln gesammelt und mag seine Ergebnisse hier teilen (gerne auch mit Bildern). Ich würde mich freuen.

[Horst Wörmann]

Hallo Jörg,
ich fürchte, das Euparal hat einen nachteiligen Einfluß, weil möglicherweise die oberflächliche Wachsschicht gelöst wird - was zu beweisen wäre. Siehe hier:
Effects of cuticle structure and crystalline wax coverage on the coloration in young and old males of Calopteryx splendens and Calopteryx virgo
Katja Kuitunen, Stanislav N. Gorb
Zoology 114 (2011) 129–139

Viele Grüße
Horst

[Fahrenheit]

Lieber Horst,

danke für den Artikel!
Ich habe ihn zunächst kurz überflogen: da ist ja von mehreren Wachsschichte die Rede und es werden explizit alte und junge Tiere untersucht.
Ob das wohl auch auf den Flügel anwendbar ist? Beim am Körper anliegenden Chitinpanzer ist eine Wachsausscheidung immerhin denkbar, der Flügel ist aber nach dem "Aufpumpen" und Aushärten tot ... er ändert sich nicht mehr, was man auch an den oft beschädigten Flügeln der Prachtlibellen am Ende ihres Lebenszyklus erkennen kann.

Die Wachsschicht / -struktur kann also wenn nur in der Verpuppungsphase gebildet und beim Entfalten der Flügel in die notwendige Form gebracht werden. Dies würde bedeuten, dass der Effekt mit dem Alter der Tiere  durch natürliche Abnutzung nach lässt. Ein spannendes Thema, ich werde nachher mal genauer lesen.

Herzliche Grüße
Jörg

[olaf.med]

Lieber Jörg,

Texturen, die zu solchen Effekten führen, müssen ja zwangsläufig in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegen, damit Interferenzen entstehen. Damit sind sie wohl der direkten lichtmikroskopischen Untersuchung entzogen. Hier bietet sich natürlich eine raterelekronenmikroskopische Untersuchung an. Unser neues Mitglied Christian Bayer hat ja offensichtlich einfachen Zugang zu dieser Methodik. Vielleicht kann man ihn begeistern.

Herzliche Grüße,

Olaf

[Bayer]

Lieber Jörg,
Lieber Olaf,

ich denke REM Aufnahmen könnte man schon machen, wenn man vorher genau definiert was man sehen will.

Die Herausforderungen stecken in der Präparation biologischer Objekte fürs REM.
Ich habe das bisher nicht gemacht - waren bisher ja nur ,,Steine".
Und die sind vakuumresistent.

Für biologische Präparate wird

1) Entwässerung über Alkoholreihe
2) Kritische Punkt-Trocknung
3) Sputtern

empfohlen.

1) ist einfach, 3) haben wir die Apparate, 2) fehlt mir noch der Zugang

Vielleicht kann man die Kritische Punkt Trocknung auch irgendwie ersetzen und dann einfach ,,drübersputtern".

Weiß da jemand Bescheid?

Beste Grüße
Christian

[wilfried48]

Lieber Jörg,

wenn der Flügel schon länger herumliegt, ist er sicher schon längst ausgetrocknet.
Aber meistens sind solche Strukturen gegenüber Trocknungsartefakten sehr stabil, sodass im REM auch ohne besondere Präparation (ausser Besputtern) durchaus noch was interessantes herauskommen könnte.
Wenn allerdings alles schon in Euparal liegt geht nichts mehr, da das REM nur noch auf die Oberfläche des Euparals schauen kann.
Wenn du also noch ein Stück Flügel (unbehandelt) hast, schaue ich gern im REM mal drauf.

viele Grüsse
Wilfried

[Fahrenheit]

Liebe Freunde,

zunächst habe ich versucht, die blaugrünen Beugungseffekte auch unter dem Mikroskop einzufangen, was nicht ganz einfach war, da ich nicht den obtimalen Einstrahlwinkel und Abstand nutzen konnte. Aber es ist durchaus zu erkennen, dass die Strukturen noch intakt sind:

Bild 9: Flügel der Blauflügel-Prachtlibelle im schrägen Auflicht, PlanApo 10x:


1 zeigt die Beugungsfarben an der Äderung, 2 etwas schwächer auf der Fläche.

Dann habe ich mal im Netz nach Bildern älterer Exemplare gesucht und bin fündig geworden:

Bild 10: Aufnahme einer Blauflügel-Prachtlibelle aus dem Juli des Jahres 2017 von Holger Uwe Schmitt (CC BY-SA 4.0, Wikipedia)


Nicht wirklich ein Methusalem, dazu müssten man vielleicht Bilder aus dem Herbst haben, aber die angeschlagenen Flügel weisen eine "Entfärbung" beginnend an den beim Flug mechanisch am stärksten belasteten Flügelspitzen auf - was meine Theorie zu stützen scheint.

Leider habe ich die beiden gefundenen Flügel komplett in Dauerpräparate "verwandelt", für eine REM Untersuchung habe ich somit leider nichts mehr übrig.
Ich vermute auch, dass die Flügel nach einiger Zeit bereits stark ausgetrocknet sind. Zu beurteilen, ob dies für ein Sputtering reicht, wage ich jedoch nicht, dafür fehlt mir die Erfahrung.

Auf jeden Fall aber vielen Dank für Eure Vorschläge und Unterstützungsangebote! Sollte mir noch einmal ein Totfund in die Hände Fallen, melde ich mich auf jeden Fall!

Herzliche Grüße
Jörg

[Bayer]

Hallo Jörg,
hallo Olaf,

hilft vielleicht dieser Thread von 2014 weiter "Himmelsfalter - blaues Licht durch Nanostrukturen" (Eckhard): https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=20226.0

Beste Grüße
Christian

[Fahrenheit]

Liebe Libellenfreunde,

ich hatte nun Gelegenheit, das Paper zu lesen, das Horst weiter oben angesprochen hat. Die Autoren Katja Kuitunen und Stanislav N. Gorb haben sich mit der Farbentstehung und Intensität auf den Abdomensegmenten von C. virgo und C. splendens beschäftigt. Auf der Cuticula liegt dabei eine bis zu 7 lagen dicke Wachsschicht auf, die Farben entstehen durch Brechung an den Schichtgrenzen.

Hier kurz der Abstrakt der Arbeit, die in der Zoology bei Elsevier erschienen ist (Zoology 114, 2011, S. 129 - 139):

Male secondary sexual characters, such as color patterns, are often investigated at the macroscale level.
However, micro- and nanoscale levels of morphological investigations may reveal functional features
responsible for a particular coloration, thus providing more information, e.g., about the condition dependence of male sexual characters. The aim of this paper was to investigate cuticle color and its structure in
males of two congeneric damselfly species, Calopteryx splendens and Calopteryx virgo, and reveal possible
color changes with age. According to spectrometer measurements, C. splendens males were bluer and
had a greater saturation of blue in their abdomen than C. virgo males, which were, in turn, greener and
had more green saturation. Although the two species differed in the number of structural layers and the
spacing of the layers, it seems that intactness of the wax crystals covering the epicuticle was most often
the morphological trait which was related to the color parameters measured from males' cuticles. The
effect of the crystalline wax coverage on cuticle color was also confirmed by removing the wax using
chloroform: after the treatment, the hue was bluer, the cuticle had a greater brightness and greater blue
saturation, but less green saturation. Age differences influencing the color and structure of the cuticle
were also observed: older males had more blue and green saturation and had more intact wax coverage
than did younger males. Although multilayer reflection should be responsible for the iridescent color
of males, our results suggest that wax coverage plays an important role in the color tuning of the male
cuticle. This may have a considerable signal function, indicating the males' viability to competing males
or to females.
© 2011 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Die Arbeit legt nahe, dass auch auf den Flügeln Wachsschichtungen für die Farbentstehung verantwortlich sind (was jedoch nicht bestandteil des Artikels ist). Diese altern jedoch bei der Nutzung, da sie nicht regenerieren. Meine Annahmen weiter oben dürften also korrekt sein.

Lieber Christian,

danke ür den Hinweis auf den Thread mit den schönen REM Aufnahmen der Schmetterlingsschuppen. Dort ist jedoch die Mikrostruktur der Schuppe selbst maßgeblich für die Farbwirkung. Wie oben geschrieben, denke ich nicht, dass dies auch bei den Hautflügeln der Prachtlibelle hier der Fall ist. Auf Schmetterlingsschuppen kann man die Strukturen nämlich unter dem Lichtmikroskop erahnen (die groben Rippen sind grade noch erkennbar), auf dem Libellenflügel ist nichts dergleichen zu entdecken (was ja anfänglich meine Hoffnung war ...).

Wenn jemand noch mal ein solcher Flügel unter kommt, können wir weiter sehen. Ein sicher unnötiger Hinweis: die Tiere sind geschützt, es kommt also nur ein zufälliger Totfund ind Frage.

Allen herzliche Grüße
Jörg