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撒哈拉银色蚂蚁为什么会如此耐热?
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-06-23 15:29

图片说明:左图,觅食的撒哈拉银蚂蚁行走在正午的阳光下,看起来像一滴滴水银在沙漠表面滚动。右图,形状独特且排列密集的毛发形成了银色外观产生的视觉效果。 图片来源:Norman Nan Shi and Nanfang Yu, Columbia Engineering


Nanfang Yu是哥伦比亚大学工程学院的应用物理学助理教授,她和来自苏黎世大学(University of Zürich)及华盛顿大学(University of Washington)的同事一起,发现了撒哈拉银色蚂蚁能够在撒哈拉沙漠(地球上最热的陆地环境)保持凉爽的两个关键策略。Yu的团队首次证明,这种蚂蚁利用其形状独特的毛外套可以控制极广光谱范围的电磁波,这包括太阳光谱(可见光和近红外线光)的热辐射光谱(中红外光)。面对不同的光谱带,它们会使用不同的身体机制来实现降低体温的生物功能。2015年6月18日,他们在Science上发表了Saharan silver ants keep cool by combining enhanced optical reflection and radiative heat dissipation一文。

Yu说:“这一实例说明了进化如何触发生理特性进行调整来完成生理功能并保证生存,本研究中则是防止撒哈拉银蚂蚁因过热死亡,虽然我们已经有过很多对紫外线和可见光下的生命系统物理光学的研究,但相比之下,对红外光在生命的作用的认识要少很多。我们的研究表明,人类不可见的光并不一定意味着它对生物体没有发挥至关重要的作用。”

该项目最初的目的是为了搞清楚撒哈拉银色蚂蚁的显眼银色外套是不是它们在酷热中能保持凉爽的重要原因。Yu的研究小组最后发现,在他们意识到红外光的重要作用后,这个问题的答案变得广泛得多。发现体温调节的生物机制可能帮助开发出具有最佳冷却特性的新型扁平光学元件。

Yu解释说:“这种仿生物激发性热表面具有太阳光谱高反射率和高辐射效率,这项研究结果可能会产生一些有用的应用,例如用这一研究保持车辆、建筑物、器械甚至服装这些物件的表面冷却。”

图片说明:毛发平行在皮肤上,与皮肤间由一个小的空气间隙分离。毛发横截面为三角形,其中两面呈波纹褶皱状,另一面则是平整的面向蚂蚁身体。 图片来源:Norman Nan Shi and Nanfang Yu, Columbia Engineering


当撒哈拉银色蚂蚁正午在撒哈拉沙漠上觅食的时候,这时地表温度可达70℃,而它们必须保证体温大多数时间低于所能承受的最高温度53.6℃。在觅食之旅中,这些蚂蚁要寻找昆虫和其他节肢动物的尸体,这些小动物已屈服于极端炎热的沙漠环境,而银色蚂蚁还能继续忍受;在白天最热活跃于地表还可以让这些蚂蚁逃避沙漠蜥蜴的捕食。研究人员早有疑问,这些微小的昆虫(约10毫米)在这种极端环境下是如何生存下来的。

通过电子显微镜和离子束刻蚀技术,Yu的研究团队发现银色蚂蚁身体顶部和两侧覆盖了具有三角形横截面的独特毛发,能够以两种方式让他们降低体温,这些毛发对可见光和近红外光(也就是太阳辐射的范围)具有高反射率。当它们以每秒0.7米的速度奔跑看起来像一滴滴水银在沙漠表面滚动。它们的毛发还具有中红外电磁波谱的高辐射率,可以作为抗反射层提高蚂蚁将余热从身体向寒冷天空辐射出去的能力,这种被动的降温能力在昆虫完全暴露于晴朗日空时便发挥作用。

Yu说:“要理解热辐射的效果,可以想象一下寒冷的早上钻出被窝的感觉,因为你的皮肤温度比周围环境的暂时高得多,因此热辐射导致那一刻的能量损失一半。”

研究人员发现,太阳光谱反射率和热辐射率的增强使银色蚂蚁体温比没有毛发的情况下下降了5到10摄氏度。研究第一作者、哥伦比亚大学工程学院的在读博士Nan Shi说道: “这些蚂蚁能控制如此广泛的电磁波的事实表明这些看似简单的昆虫生物构造是多么复杂。”


图片说明:外层毛发通过增强太阳辐射反射率和热辐射率大幅降低体温。 图片来源:Norman Nan Shi and Nanfang Yu, Columbia Engineering

Yu和Shi参与的这个项目还有两位合作者,分别是来自瑞士苏黎世大学大脑研究所的Rüdiger Wehner,以及西雅图华盛顿大学的电气工程教授Gary Bernard,两人都是昆虫生理学和生态学研究领域的知名专家。哥伦比亚工程学院的团队设计并完成了所有的实验工作,包括光学和红外显微镜和光谱实验、热力学实验及计算机仿真建模。他们正在尝试应用从撒哈拉银蚂蚁学到的工程原理来发明扁平光学元件,或者说超颖表面(metasurfaces),由纳米光子元件的平面排列而成,并具有所设计的光学和热辐射特性。

Yu和团队成员计划将他们的研究延伸到生活在极端环境下的其他动物和有机生物,了解这些生物应对恶劣环境的策略。

Yu 说道:“动物通过进化出形成了不同的策略来接收和利用电磁波:深海鱼的眼睛能使它们在黑暗的水域行动和捕食,蝴蝶的翅膀通过纳米结构具有了多彩的颜色,蜜蜂能看到并回应紫外信号,而萤火虫能使用闪光通讯系统。这些能够感知或控制电磁波的进化器官常常在复杂性和工作效率上超越了相似的人造装置。研究和利用自然的设计理念,加深了我们对复杂生物系统的认识,也启发我们创造新技术。” (科学之家,译审:Y Li)

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