Aktualności

Okazuje się, że motyle są równie efektowne w termice, jak w widmie światła widzialnego. Niedawno naukowcy z Columbia Engineering i Harvard University opublikowali w Nature badanie dotyczące właściwości termodynamicznych skrzydeł motyla i znaczenia chłodzenia radiacyjnego w utrzymywaniu trzepotania tych delikatnych struktur. Nanfang Yu, profesor nadzwyczajny fizyki stosowanej na Columbia, opisuje, jak ważną rolę w badaniach odegrało obrazowanie termiczne.

„To najbardziej nieinwazyjny sposób pomiaru temperatury” – wyjaśnia Yu. W ramach badań zespół zidentyfikował złożone żywe struktury w skrzydłach motyla, które fachowo wspomagają termoregulację. W przypadku kamery termowizyjnej, w tym przypadku kamery naukowej FLIR SC660, „zasadniczo zaczynasz widzieć szkielet motyla” – mówi Yu. „To prawie jak prześwietlenie – widzisz szkielet, żyły skrzydeł, membranę… cały przekrój materiału skrzydła”. W technice termicznej wszystkie jasne kolory i wzory skrzydeł motyla znikają, a zamiast tego widać podstawową strukturę samego skrzydła.

Wcześniejsze badania skrzydeł motyla ograniczały się do stosowania urządzeń takich jak termopary do pomiaru temperatury. Nawet najmniejsze sondy są większe w porównaniu z grubością skrzydła motyla, a sam pomiar może wpływać na lokalną temperaturę. Mogą wystąpić dodatkowe niedokładności, ponieważ pomiary są wykonywane tylko punkt po punkcie. Dzięki technologii termicznej „można mierzyć i mapować cały rozkład temperatury” – mówi Yu. Jego zespół był w stanie zobaczyć i zmierzyć różnicę temperatur między żyłami skrzydeł, błoną i innymi strukturami, takimi jak poduszki zapachowe. Okazało się, że obszary skrzydeł motyla zawierające żywe komórki (żyły skrzydeł) mają wyższą emisyjność cieplną niż obszary skrzydła „martwe” (błona).

„Ta technika obrazowania umożliwia nam zbadanie fizycznych adaptacji, które oddzielają widzialny wygląd skrzydła od jego właściwości termodynamicznych” – mówi Yu w artykule z Columbia Engineering. „Odkryliśmy, że nanostruktury o różnej skali i niejednorodne grubości naskórka tworzą niejednorodny rozkład chłodzenia radiacyjnego – rozpraszanie ciepła przez promieniowanie cieplne – które wybiórczo obniża temperaturę żywych struktur, takich jak żyły skrzydeł i poduszki zapachowe”.

Pomiar temperatury skrzydeł motyla za pomocą termowizji nie jest pozbawiony przeszkód. „Wyzwanie polega na tym, że w przypadku skrzydła motyla kamera termowizyjna podaje odczyt temperatury, ale nie można ufać temu odczytowi ” – mówi Yu. „Skrzydło motyla jest półprzezroczyste w podczerwieni, więc kiedy patrzysz na skrzydło motyla w kamerze termowizyjnej, nie tylko odbierasz promieniowanie cieplne samego skrzydła, ale także promieniowanie cieplne generowane przez tło za skrzydłem ”. Podobne zjawisko można zaobserwować w przypadku cienkiego arkusza plastiku, takiego jak plastikowa torba na zakupy, która podobnie jak skrzydło motyla jest nieprzezroczysta w widmie światła widzialnego, ale przezroczysta w podczerwieni.

Oprócz mapowania rozkładu termicznego skrzydeł motyla naukowcy przeprowadzili również badania behawioralne, które zaobserwowali w warunkach termicznych. Używając małego światła jako źródła ciepła, wykazali, że motyle używają skrzydeł do wyczuwania kierunku i intensywności światła słonecznego. Przy temperaturze „wyzwalania” wynoszącej około 40 ° C wszystkie badane gatunki obróciły się w ciągu kilku sekund, aby uniknąć światła i nie przegrzać skrzydeł.

To nie pierwszy raz, kiedy Yu używa kamery termowizyjnej do badania owadów. „Kiedy dołączałem do Columbii w 2013 roku, kamera FLIR była jednym z pierwszych elementów wyposażenia, które kupiłem podczas konfigurowania laboratorium” – mówi Yu. Chociaż jego badania koncentrują się głównie na nanofotonice, Yu jest szczególnie zainteresowany skrzyżowaniem biologii, fotoniki i fizyki. Jego przyjaciele naukowcy z dziedziny biologii „często sondują mnie pytaniami dotyczącymi historii życia badanych przez nich zwierząt … Jestem bardzo zainteresowany pomaganiem im w rozwiązywaniu tych tajemnic z punktu widzenia fizyki i fotoniki”.

We wcześniejszej współpracy z kolegą, nanobiologiem, Yu badał srebrne mrówki saharyjskie, które żerują w upalny dzień w jednym z najgorętszych ziemskich środowisk. W tym badaniu, opublikowanym w Science w 2015 r., Naukowcy wykorzystali również kamerę naukową FLIR do monitorowania temperatury ciała mrówek. Zastanawiali się, jak takie małe owady mogą przetrwać w tak trudnych warunkach. „Interesującą rzeczą jest tutaj zrozumienie, jak małe i lekkie owady – małe mrówki lub cienkie skrzydła motyli – radzą sobie termodynamicznie, ponieważ domyślnie są w tym bardzo kiepskie” – wyjaśnia Yu. Ze względu na małą pojemność cieplną małe zwierzęta, takie jak owady, mogą rozgrzać się do ekstremalnych temperatur w ciągu kilku sekund.

Srebrne mrówki radzą sobie z ekstremalnymi temperaturami za pomocą bardzo cienkich włosów pokrywających ich ciała. Włosy te pełnią dwie funkcje: rozpraszają wstecznie światło w zakresie widzialnym i podczerwonym w celu zmniejszenia absorpcji energii słonecznej oraz zwiększają emisyjność cieplną, dzięki czemu po podgrzaniu ciała mrówki lepiej rozprowadza ciepło w postaci promieniowania cieplnego .

„Chcieliśmy się dowiedzieć, w jaki sposób małe zwierzęta zostały tak okablowane, aby przetrwały ekstremalne upały” – mówi Yu. Jego najnowsze prace kontynuują badanie kwestii, jak małe owady potrafią zachować spokój. Skrzydła motyli są pokryte mechanicznymi czujnikami wykrywającymi przegrzanie, a ich łuski zawierają nanostruktury ułatwiające chłodzenie radiacyjne. Yu uważa, że poza biologicznym zainteresowaniem tych odkryć mogą one posłużyć jako inspiracja do projektowania odpornych na ciepło nanostruktur i samolotów wykrywających ciepło.

Yu i jego koleżanka Naomi E. Pierce, profesor biologii w Hesji, planują kontynuować badania nad skrzydłami motyla. Pierce jest kustoszem Lepidoptera w Muzeum Zoologii Porównawczej na Harvardzie i ma dostęp do dużej kolekcji motyli i ciem. Obecnie przeprowadzają obszerne skanowanie kolekcji za pomocą kamery termowizyjnej i mają nadzieję na zrozumienie czynników, które składają się na projekt skrzydła motyla. Yu porównuje tę pracę do „rozszyfrowania złożonej książki” z powodu wielu różnorodnych elementów, które odegrały rolę w ewolucji skrzydła motyla. Oczywiście jest to książka, którą warto uważnie przeczytać, aby zobaczyć, jakie możemy odkryć inne tajemnice.