Вопреки распространенному мнению, что крылья бабочки состоят в основном из безжизненных мембран, новое исследование показало, что они содержат сеть живых клеток, функция которых требует ограниченного диапазона температур для оптимальной работы. Учитывая их небольшую теплоемкость, крылья могут быстро перегреваться на солнце, когда бабочки прекращают полет, и они могут слишком сильно остывать во время полета в холодной среде.
Исследование, опубликованное сегодня в Интернете компанией Nature Communications, является первым, в котором изучается влияние температуры на структуру крыльев и поведение бабочек.
«Крылья бабочки – это, по сути, векторные светочувствительные панели, с помощью которых бабочки могут точно определять интенсивность и направление солнечного света, и делать это быстро, не используя глаз», – говорит Нанфан Ю, доцент прикладной физики в Columbia Engineering и соучредитель изучение.
Команда, со-руководителем которой была Наоми Э. Пирс, профессор биологии Гесселя на кафедре органической и эволюционной биологии и куратор чешуекрылых в Музее сравнительной зоологии в Гарварде, использовал свой опыт в биологии и оптике, чтобы сделать ряд важных открытий. Осторожно удалив чешуйки крыльев, чтобы они могли заглядывать внутрь крыльев, и окрашивая нейроны, обнаруженные внутри крыла, они обнаружили, что крылья бабочки загружены сетью механических и температурных датчиков.
Живые ткани крыльев активно снабжаются кровеносной и трахеальной системами на протяжении всей жизни взрослого человека – в случае окрашенных бабочек-бабочек – более трех недель.
Они также обнаружили «крылатое сердце», которое совершает несколько десятков ударов в минуту, чтобы облегчить направленный поток крови или гемолимфы насекомых через «ароматическую подушечку» или андрокониальный орган, расположенный на крыльях некоторых видов бабочек. «Большая часть исследований крыльев бабочек сосредоточена на цветах, используемых при передаче сигналов между людьми», – говорит Пирс., «Эта работа показывает, что мы должны переосмыслить крыло бабочки как динамическую живую структуру, а не как относительно инертную мембрану.
Образцы, наблюдаемые на крыле, также могут иметь важные формы из-за необходимости модулировать температуру живых частей крыла."
Лаборатория Ю разработала неинвазивный метод, основанный на инфракрасном гиперспектральном изображении, где каждый пиксель изображения представляет один инфракрасный спектр, что позволило им впервые провести точные измерения распределения температуры над крыльями бабочки. «До сих пор это было трудно сделать, – отмечает Пирс, – из-за тонкости и нежности крыльев бабочки.«Этот метод визуализации позволяет нам исследовать физические адаптации, которые отделяют видимый внешний вид крыла от его термодинамических свойств», – добавляет Ю. «Мы обнаружили, что наноструктуры различного масштаба и неоднородная толщина кутикулы создают неоднородное распределение радиационного охлаждения – рассеивание тепла за счет теплового излучения – что выборочно снижает температуру живых структур, таких как жилки крыльев и ароматические подушечки."
Эффект этого регионального и избирательного усиления теплового излучения был наглядно продемонстрирован в термодинамических экспериментах команды над крыльями бабочки. Экспериментальные условия, имитирующие естественную среду обитания бабочек, были созданы в лаборатории Ю и позволили исследователям количественно оценить относительный вклад нескольких факторов окружающей среды в температуру крыла.
К ним относятся интенсивность солнечного света, температура земной среды и "холодность" неба, которая может служить эффективным теплоотводом теплового излучения от нагретых крыльев. Команда обнаружила, что во всех смоделированных условиях окружающей среды, несмотря на различные видимые цвета и узоры, области крыльев бабочки, содержащие живые клетки (жилки крыльев и ароматические подушечки), всегда холоднее, чем «безжизненные» области крыла из-за усиленного радиационного охлаждения. «Наноструктуры, обнаруженные в чешуе крыльев, могут вдохновить на разработку материалов с радиационным охлаждением, способных выдерживать чрезмерные тепловые условия», – говорит Ченг-Чиа Цай, аспирант в группе Ю, ведущий автор исследования.
Исследователи провели серию поведенческих исследований живых бабочек из шести из семи признанных семейств бабочек, чтобы изучить реакцию на имитацию солнечного света, воздействующего на крылья. Команда обнаружила, что насекомые используют свои крылья, чтобы определять направление и интенсивность солнечного света – основного источника тепла или перегрева – и реагировать особым поведением, чтобы предотвратить перегрев или переохлаждение своих крыльев.
Например, все изученные виды демонстрировали относительно постоянную «спусковую» температуру приблизительно 40 ° C (104 ° F), которая поворачивалась в течение нескольких секунд, чтобы избежать перегрева крыльев из-за небольшого светового пятна, падающего на них.
Ю и Пирс в настоящее время проводят крупномасштабное систематическое оптическое исследование коллекций чешуекрылых в Гарвардском музее сравнительной зоологии.
Сюда входят тысячи отдельных экземпляров сотен видов бабочек по всему филогенетическому дереву, каждый образец с полными данными гиперспектрального изображения, взятыми от ультрафиолета до среднего инфракрасного диапазона. В 1863 году английский естествоиспытатель и исследователь Генри Уолтер Бейтс написал о крыльях бабочек в своей книге «Натуралист на речных амазонках»: «На этих расширенных мембранах природа пишет, как на табличке, историю изменений видов …«Так же, как и при расшифровке загадочных символов на планшете, команда надеется получить полное представление об окраске и узоре крыльев, которые являются результатом многих (и часто противоречащих друг другу) биологических и физических факторов: полового отбора, предупреждающей окраски, мимикрии, маскировки. , и терморегуляция.
«Каждое крыло бабочки оснащено несколькими десятками механических датчиков, которые обеспечивают обратную связь в режиме реального времени, чтобы обеспечить сложные схемы полета», – говорит Ю. «Это послужило источником вдохновения для разработки крыльев летательных аппаратов: возможно, конструкция крыла не должна основываться исключительно на соображениях динамики полета, и крылья, спроектированные как интегрированная сенсорно-механическая система, могут позволить летательным аппаратам работать лучше в сложных аэродинамических условиях."
ВИДЕО: https: // www.YouTube.com / watch?v = _J-uXQ6D8vQ & feature = youtu.быть