Исследователи из Колумбийской школы инженерных и прикладных наук и Гарвардского университета (США) обнаружили, что в крыльях бабочки есть специальные наноструктуры, которые позволяют ей защитить «живые» части крыльев от перегрева или переохлаждения. Открытие может вдохновить инженеров на создание устройств с радиационным охлаждением, которое сможет избежать перегрева, передает портал EurekAlert!. Ученые представили свои выводы в журнале Nature Communications.
Крылья бабочки состоят не только из «безжизненных» мембран. Новое исследование показало, что они содержат сеть живых клеток, которые могут оптимально работать только при определенной температуре. Учитывая их небольшую теплоемкость, крылья могут быстро перегреваться на солнце, когда бабочки прекращают полет, и, наоборот, могут слишком сильно остывать во время полета в холодной среде. Ученые рассмотрели, как температура влияет на формирование структуры крыла и поведения бабочек.
«Крылья бабочки – это, в сущности, световые панели, с помощью которых бабочки могут точно определять интенсивность и направление солнечного света и делать это быстро, не используя свои глаза», – отмечает Наньфан Ю (Nanfang Yu), доцент кафедры прикладной физики в Колумбийской школе инженерных и прикладных наук, один из авторов исследования.
В своем исследовании ученые постепенно удаляли чешуйки крыльев, чтобы заглянуть внутрь. Окрашивая нейроны, найденные внутри крыльев, они обнаружили, что в крыльях бабочки спрятана целая сеть механических и температурных датчиков. Они помогают регулировать температуру «живых» структур в крыльях – жилок, которые снабжаются кровью и кислородом через кровеносную и трахеальную системы.
Исследовав термодинамические свойства крыла, ученые обнаружили, что разная величина «нанодатчиков» и неодинаковая толщина кутикулы (защитного слоя) создают неоднородное распределение радиационного охлаждения – рассеивания тепла за счет теплового излучения – что избирательно снижает температуру «живых» структур. На фото, полученном в инфракрасном свете, яркие участки крыла соответствует областям, где лучше всего работает «режим радиационного охлаждения».
Этот эффект команда наглядно продемонстрировала в термодинамических экспериментах на крыльях бабочки. Экспериментальные условия, которые имитируют естественную среду обитания бабочек, позволили исследователям количественно оценить относительный вклад нескольких факторов окружающей среды в температуру крыла. К этим факторам относятся интенсивность солнечного света, температура земной среды и холодная среда в небе, которая может служить эффективным отводом теплового излучения от нагретых крыльев. Команда обнаружила, что во всех смоделированных условиях окружающей среды области крыльев бабочки, которые содержат живые клетки, всегда оставались холоднее, чем «безжизненные» области крыла. Причина – усиленное радиационное охлаждение.
Ученые также провели серию поведенческих тестов на живых бабочках разных видов, чтобы исследовать реакцию на искусственный солнечный свет, направленный на крылья. Команда обнаружила, что насекомые используют свои крылья, чтобы чувствовать направление и интенсивность солнечного света – основного источника тепла и причины перегрева – и реагировать так, чтобы предотвратить перегрев или переохлаждение их крыльев. Например, у всех исследованных видов наблюдалась относительно постоянная температура – приблизительно 40°C. Чтобы сохранить эту температуру постоянной, бабочка отворачивалась от солнечного луча в течение нескольких секунд.
[Фото: Nanfang Yu and Cheng-Chia Tsai/Columbia Engineering]
