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扑灭蝴蝶活翅的热量

更新时间:2020-09-15 22:48点击:

  哥伦比亚工程公司和哈佛大学的一项新研究确定了适当的温度对于蝴蝶翅膀正常运作至关重要的生理重要性,并发现昆虫通过结构和行为适应都能很好地调节翅膀温度。

  与普遍认为蝶形翅膀主要由无生命的膜组成的观点相反,这项新研究表明,蝶形翅膀包含一个活细胞网络,其功能需要限制温度范围才能获得最佳性能。由于它们的热容量小,当蝴蝶停止飞行时,机翼可能会在阳光下迅速过热,并且在寒冷的环境中飞行时它们可能会降温。这项由《自然通讯》在线发表的研究首次探索了温度在塑造蝴蝶的翅膀结构和行为方面的意义。

  “蝴蝶的翅膀实际上是矢量光检测板,蝴蝶可以通过它精确地确定阳光的强度和方向,并且不需要眼睛就可以迅速地做到这一点,”哥伦比亚工程学院应用物理副教授Nanfang Yu说道。研究。

扑灭蝴蝶活翅的热量

  该小组由哈佛大学比较动物学博物馆的有机和进化生物学系Hessel生物学教授Naomi E. Pierce以及鳞翅目的策展人Naomi E. Pierce共同领导,利用他们在生物学和光学方面的专业知识重要发现的数量。通过仔细地去除机翼的鳞片,使它们能够窥视机翼的内部,并染色机翼内发现的神经元,他们发现蝴蝶机翼上装有机械和温度传感器网络。在成年后的整个生命周期中,机翼中的活组织都由循环系统和气管系统积极供应-对于彩绘淑女蝴蝶来说,要持续三周以上。

  他们还发现了一个“翼心”,每分钟跳动几十次,以促进昆虫血液或淋巴液通过某些蝴蝶翅膀上的“香气垫”或雄激素器官的定向流动。皮尔斯说:“大多数对蝴蝶翅膀的研究都集中在用于发信号的颜色上,”皮尔斯说,“这项工作表明我们应该将蝴蝶翅膀重新概念化为动态的,活的结构,而不是相对惰性的膜。观察到的模式通过调节机翼活动部分的温度,机翼上的翼部也可能以重要方式成形。”

  Yu的实验室设计了一种基于红外高光谱成像的非侵入性技术,图像的每个像素代表一个红外光谱,这使他们首次能够精确测量蝴蝶翅膀上的温度分布。皮尔斯指出:“到现在为止,这一直很困难,因为蝴蝶的翅膀薄而细腻。”“这种成像技术使我们能够检查使机翼的可见外观与热力学特性脱钩的物理适应性,” Yu补充说。”

  该小组在蝴蝶翅膀上进行的热力学实验充分证明了这种区域性和选择性增强热辐射的效果。Yu的实验室创造了模仿蝴蝶自然环境的实验条件,并使研究人员能够量化几种环境因素对机翼温度的相对贡献。这些因素包括太阳光的强度,地球环境的温度以及天空的“寒冷”,它们可以用作从受热机翼辐射热的有效散热器。研究小组发现,在所有模拟环境条件下,尽管可见颜色和图案多种多样,但包含活细胞(翅膀静脉和香气垫)的蝴蝶翅膀区域始终比“无生命”区域凉爽由于增强的辐射冷却,机翼的某些区域。这项研究的主要作者,于研究组的博士生蔡成嘉(Cheng-Chia Tsai)说:“在机翼秤上发现的纳米结构可以激发辐射冷却材料的设计,以应对过热的条件。”

  研究人员对七个公认的蝴蝶家族中的六个蝴蝶进行了一系列的行为研究,以研究对机翼上模拟阳光的反应。研究小组发现,昆虫利用它们的翅膀来感知阳光的方向和强度(阳光是温暖或过热的主要来源),并通过特殊的行为做出反应,以防止翅膀过热或过冷。例如,所研究的所有物种都表现出相对恒定的“触发”温度,大约为40oC(104oF),在几秒钟内转动,以避免机翼因照射在其上的小光点而过热。

  Yu和Pierce现在正在哈佛大学比较动物学博物馆中对鳞翅目动物的收藏进行大规模的系统光学研究。其中包括整个系统树中成千上万种蝴蝶物种的数千个标本,每个标本都具有从紫外线到中红外的完整高光谱成像数据。1863年,英国博物学家和探险家亨利·沃尔特·贝茨(Henry Walter Bates)在他的《亚马逊河上的博物学家》一书中谈到了蝴蝶的翅膀,“大自然在平板电脑上写下了这些变种的故事,就像在平板电脑上一样…… “就像在平板电脑上解密神秘符号一样,研究小组希望对机翼的颜色和样式有一个全面的了解,这是许多(而且经常是相互矛盾的)生物和物理因素造成的:

  于说:“每只蝴蝶的机翼都装有数十个机械传感器,它们提供实时反馈以实现复杂的飞行模式。”“这是设计飞行器机翼的灵感:也许机翼设计不应仅基于飞行动力学的考虑,而设计为集成感官-机械系统的机翼可以使飞行器在复杂的空气动力学条件下表现更好。”


扑灭蝴蝶活翅的热量