| Терморегулирующие доспехи муравья
Серебристые муравьи живут в пустынях и ищут корм при такой жаре, которую большинство живых существ не выносит. Замечательную жароустойчивость серебристым муравьям гарантируют особые кожные покровы, состоящие из треугольных в сечении волосков. Такие структуры не только хорошо отражают свет, но и помогают муравью активнее излучать лишнее тепло в среднем инфракрасном диапазоне. Изобретение муравьев может вдохновить инженеров на создание новых материалов, обладающих охлаждающими свойствами.
| ||
Рисунок 1. Блестящие покровы серебристых муравьев Cataglyphis bombycina — жителей Сахары. А — Насекомое охлаждается на верхушке сухого растения; B — СЭМ-изображение головы муравья, плотно покрытой волосками; C — СЭМ-изображение волосков, постепенно утончающихся к кончику; D — поперечное сечение волосков (изображение получено с помощью фокусируемого ионного пучка (ФИП, FIB); E — СЭМ-изображение двух волосков: верхний повернут к наблюдателю двумя «внешними» рифлеными гранями, а нижний — гладкой «внутренней» (прилегающей к телу насекомого) гранью.Рисунок из [1].
У страдающих от жары животных есть не так много способов почувствовать себя лучше. Собака может высунуть язык, слон может окатить себя водой из хобота, а человек может купить мороженое или сесть под кондиционером — вот практически и весь наш арсенал.
И только серебристые муравьи изобрели такие покровы, которые охлаждают животное сами по себе — без всякой траты воды, денег или электроэнергии. Серебристым муравьям Cataglyphis bombycina такие покровы жизненно необходимы, поскольку эти насекомые обитают в Сахаре, где дневная температура может зашкаливать за 50 градусов по Цельсию. Уникальная жароустойчивость муравьев позволяет им занять выгодную нишу — поедать всех тех, кто не так хорошо переносит высокие температуры.
Как же работает термозащита муравьев? Для начала ученые исследовали ее с помощью сканирующей (растровой) электронной микроскопии (СЭМ) [1]. Они увидели на спине и боках муравьев плотно расположенные волоски, треугольные в сечении (рис. 1). От корня к кончику волоски сужались. Уложены они были на одну сторону и строго определенным образом: одна из граней каждого волоска была повернута к телу муравья, а другие две — наружу. Именно волоски придавали муравьям серебристый цвет, за который они получили свое название. Чтобы убедиться, что жароустойчивость обеспечивают муравьям тоже эти волоски, ученые сравнили светоотражение тела муравья, покрытого волосками, и их лишенного. Оказалось, что покровы с волосками намного лучше отражают излучение видимого и ближнего инфракрасного диапазонов — то есть волны тех длин, на которые приходится максимум интенсивности солнечного излучения. Всего покровы с волосками отражали две трети солнечного излучения, а покровы без волосков — только около сорока процентов.
Как оказалось, треугольная в сечении форма волосков важна для более эффективного отражения света (рис. 2). Ученые провели компьютерную симуляцию, смоделировав природные покровы муравьев, а также покровы с круглыми в сечении волосками. Трехгранные волоски лучше отражали свет, падающий под определенными углами, и за счет этого суммарно рассеивали больше излучения, чем круглые в сечении волоски. Толщине волоска соответствовали длины волн, которые он рассеивал лучше всего. Но поскольку толщина волосков от корня к кончику плавно уменьшалась, всё покрытие в целом эффективно отражало волны широкого диапазона.
Рисунок 2. Эффективность отражения света покровами муравья в зависимости от длины световой волны (A) и угла падения лучей (B). Эффективность отражения видимого и ближнего инфракрасного излучений выше у покровов с волосками (красный график); лучшему отражению на рисунке (B) соответствует ситуация под номером II (средний угол падения) — излучение не проникает через кутикулу. Рифленые внешние грани волоска могут усиливать диффузное отражение волн ультрафиолетового и видимого диапазонов. Рисунок из [1].
Кроме усиления отражения света волоски еще помогали муравью излучать больше энергии в среднем инфракрасном диапазоне — по подсчетам ученых, на 15%. Правда, там, где были волоски,светоотражение в этом диапазоне было хуже, чем если бы волосков не было. Но, поскольку в солнечном свете доля волн среднего инфракрасного спектра невелика, положительный эффект от усиления излучения в таком диапазоне компенсировал ослабление отражения этих волн. Интересно, что нижняя поверхность тела муравья находится в других условиях по сравнению со «спинкой»: на нее как раз в основном действуют волны среднего инфракрасного диапазона — тепловые лучи, отраженные от песка. А волны видимого и ближнего инфракрасного диапазонов туда практически не попадают. Значит, на нижней части тела муравья недостатки покрытия из трехгранных волосков перевесили бы преимущества. Видимо, потому у этих насекомых волоски обнаружили только на «спинной» и боковых поверхностях тела.
В итоге покровы серебристого муравья позволяли ему нагреваться меньше, чем соплеменнику, лишенному волосков. Это подтвердил эксперимент, в котором насекомых помещали под яркую лампу и следили за температурой их тела с помощью термальной камеры (рис. 3). «Безволосые» муравьи выглядели светлее — то есть были горячее муравьев с обычными покровами. На момент эксперимента муравьи давно были мертвыми, а значит, в охлаждении не были задействованы никакие активные процессы, и оно происходило само собой.
Рисунок 3. Брюшко муравья под действием излучения яркой лампы в различных условиях. Изображения с термальной камеры. Брюшко, лишенное волос, нагревается сильнее (правая часть рисунка). Рисунок из [1].
Похожие принципы можно применить для создания материалов, обладающих охлаждающими свойствами. Для эффективной защиты от жара Солнца нужно, чтобы такие материалы, как и покровы серебристого муравья, активнее отражали волны видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, а в среднем инфракрасном диапазоне больше излучали.
* — В последние годы инженеры и материаловеды покушаются на включение в технологии не просто подсмотренных у природы принципов и механизмов, а даже «запчастей» живых организмов — преимущественно наноразмерных или с пригодной для наноинженерии молекулярной структурой. В частности, у морских губок решили позаимствовать уникальный силикат-коллагеновый биокомпозит: «Уникальные силикатные биоматериалы из морских глубин» [2]. А археи уже успели поделиться своими жгутиками для создания «долгоиграющих» аккумуляторов: «Аноды для новых аккумуляторов на основе жгутиков архей» [3]. — Ред.
Литература
| |||
вторник, 7 июля 2015 г.
Терморегулирующие доспехи муравья
