Новое исследование, проведенное Columbia Engineering и Гарвардом, определило критическую физиологическую важность подходящей температуры для правильного функционирования крыльев бабочки и обнаружило, что насекомые тонко регулируют температуру своих крыльев с помощью как структурных, так и поведенческих адаптаций.
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 могут слишком сильно остывать во время полета в холодных условиях. Исследование, опубликованное сегодня в сети Nature Communications, является первым исследованием влияния температуры на формирование структуры крыльев и поведение бабочек.
«Крылья бабочек - это, по сути, векторные светочувствительные панели, с помощью которых бабочки могут точно определять интенсивность и направление солнечного света и делать это быстро, не используя глаза», - говорит Нанфанг Ю, доцент прикладной физики в Columbia Engineering. и со-PI исследования.
Команда под руководством Наоми Э. Пирс, профессора биологии Хесселя на кафедре органической и эволюционной биологии и куратора чешуекрылых в Музее сравнительной зоологии в Гарварде, использовала свой опыт в области биологии. и оптике сделать ряд значительных открытий. Осторожно удалив чешуйки с крыльев, чтобы они могли заглянуть внутрь крыльев, и окрасив нейроны, обнаруженные в крыле, они обнаружили, что крылья бабочки загружены сетью механических и температурных датчиков. Живые ткани крыльев активно снабжаются кровеносной и трахеальной системами на протяжении всей жизни взрослой особи - у окрашенных бабочек - более трех недель..
Они также обнаружили «крыловидное сердце», которое бьется несколько десятков раз в минуту, чтобы облегчить направленный поток крови или гемолимфы насекомых через «пахучую подушечку» или андроконический орган, расположенный на крыльях некоторых видов бабочек.. «Большая часть исследований крыльев бабочки была сосредоточена на цветах, используемых в передаче сигналов между людьми, - говорит Пирс. - Эта работа показывает, что мы должны переосмыслить крыло бабочки как динамичную, живую структуру, а не как относительно инертную мембрану. Наблюдаемые закономерности на крыле также может быть важным образом сформирована необходимостью 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 на крыльях 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 вид крыла от его термодинамических свойств», - добавляет Ю. «Мы обнаружили, что разномасштабные наноструктуры и неоднородная толщина кутикулы создают неоднородное распределение радиационного охлаждения - рассеивание тепла посредством теплового излучения - которое избирательно снижает температуру живых структур, таких как жилки крыльев и ароматические подушечки».
Эффект этого регионального и избирательного усиления теплового излучения был убедительно продемонстрирован в термодинамических экспериментах группы на крыльях 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 крыльев. К ним относятся интенсивность солнечного света, температура земной среды и «холодность» неба, которая может служить эффективным поглотителем 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 (вены крыльев и ароматические подушечки), всегда холоднее, чем «безжизненные» области крыла из-за усиленного радиационного охлаждения.. «Наноструктуры, обнаруженные в чешуйках крыльев, могут вдохновить на разработку материалов с радиационным охлаждением, чтобы справиться с чрезмерными тепловыми условиями», - говорит Ченг-Чиа Цай, аспирант в группе Ю, который был ведущим автором исследования.
Исследователи провели серию поведенческих исследований живых бабочек из шести из семи признанных семейств бабочек, чтобы изучить реакцию на искусственный солнечный свет, воздействующий на крылья. Команда обнаружила, что насекомые используют свои крылья, чтобы чувствовать направление и интенсивность солнечного света - основного источника тепла или перегрева - и реагировать специальным поведением, чтобы предотвратить перегрев или переохлаждение своих крыльев. Например, все исследованные виды демонстрировали относительно постоянную «пусковую» температуру около 40 °C (104 °F), поворачиваясь в течение нескольких секунд, чтобы избежать перегрева крыльев от небольшого светового пятна, направленного на них.
Ю и Пирс в настоящее время проводят широкомасштабное систематическое оптическое исследование коллекций чешуекрылых в Гарвардском музее сравнительной зоологии. К ним относятся тысячи отдельных экземпляров сотен видов бабочек по всему филогенетическому дереву, каждый экземпляр с полными данными гиперспектральной визуализации, полученными в диапазоне от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона. В 1863 году Генри Уолтер Бейтс, английский естествоиспытатель и исследователь, писал о крыльях бабочки в своей книге «Натуралист на реке Амазонки»: «На этих расширенных мембранах Природа пишет, как на табличке, историю видоизменений…» Просто Подобно расшифровке загадочных символов на планшете, команда надеется получить всестороннее представление об окраске и узоре крыльев, которые являются результатом многих (и часто противоречащих друг другу) биологических и физических факторов: полового отбора, предупреждающей окраски, мимикрии, камуфляжа и т. д. терморегуляция.
«Каждое крыло бабочки оснащено несколькими десятками механических датчиков, которые обеспечивают обратную связь в режиме реального времени, позволяя выполнять сложные схемы полета», - говорит Ю. «Это вдохновение для проектирования крыльев летательных аппаратов: возможно, конструкция крыльев не должна основываться исключительно на соображениях динамики полета, и крылья, спроектированные как интегрированная сенсорно-механическая система, могут позволить летательным аппаратам лучше работать в сложных аэродинамических условиях».
ВИДЕО: