Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.981 RSS
←   Июнь 2015   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.981 подписчиков
+9 за неделю
←   Все выпуски   →

Рекордную теплоустойчивость пустынных муравьев обеспечивают призматические волоски


Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Рекордную теплоустойчивость пустынных муравьев обеспечивают призматические волоски

29.06.2015

Рис. 1. Серебряные муравьи-бегунки Cataglyphis bombycinus

Рис. 1. Серебряные муравьи-бегунки Cataglyphis bombycinus. Фото с сайта antclub.org

Серебряные муравьи-бегунки Cataglyphis bombycinus, обитатели жарких африканских пустынь, вполне оправдывают свое название: на солнце их тело отливает серебристым блеском. Энтомологи и физики стали разбираться, с чем связана такая необычная наружность серебряных бегунков. Изучение муравьиной внешности привело исследователей к идее теплоизолирующих материалов нового типа.

Серебряные муравьи-бегунки (рис. 1) удивительны: они обитают в самых жарких и засушливых пустынях Центральной и Северной Африки. Они остаются активны при исключительно высоких температурах -- до 58DGC, когда всё другое население пустыни прячется в норы и бездействует. Они занимают нишу дневных пустынных падальщиков -- их добычей становятся те, кто менее устойчив к африканской жаре и умер от перегрева или обезвоживания. Что же помогло этим муравьям стать рекордсменами термостойкости?

Известно, что длинные ноги поддерживают их тело чуть выше от горячей поверхности песка, чем у других насекомых. Известно также, что эффективный теплообмен обеспечивают щелевидные дыхальца. Помогает выжить на жаре и особый способ фуражировки (добывания питания) -- <<мелкими перебежками>>. Пробежав по земле короткое расстояние, муравей забирается на камень или сухую травинку и, используя резкий вертикальный термоградиент, сбрасывает избыток тепла; затем бежит д альше. В таких <<охлаждающих>> паузах муравей проводит около 70% всего фуражировочного времени. Но этого недостаточно. Как выяснили специалисты из Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории [https://www.bnl.gov/cfn/], Вашингтонского и Колумбийского университетов (США) и Цюрихского университета (Швейцария), справляться с высокой температурой муравьям омогает необычный густой волосяной покров. Всё их тело сверху и с боков закрыто слоем волосков (рис. 2).

Рис. 2. Серебряный бегунок густо покрыт отливающими на свету волосками

Рис. 2. Серебряный бегунок густо покрыт отливающими на свету волосками. Фото с сайта newscientist.com

Эти волоски, как выяснилось, имеют в сечении треугольную форму, постепенно сужаются к концам и направлены строго параллельно друг другу. Две верхние грани призмы имеют продольные бороздки или морщинки, а нижняя грань гладкая (рис. 3).

Рис. 3. Волоски серебряный бегунок под большим увеличением

Рис. 3. A — серебряный бегунок, отдыхающий от жаркой земли, забравшись повыше на сухое растение; B — голова муравья, покрытая волосками; C — волоски, налегающие друг на друга; D — видны треугольные сечения волосков и скульптурная поверхность верхних граней; E — верхняя и нижняя грани волосков: верхняя со скульптурой, а нижняя гладкая. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Этот необычный волосяной покров работает двояко. Во-первых, он отражает свет в видимом и в коротковолновом инфракрасном диапазоне. Бороздки на гранях усиливают рассеивающий эффект. Во-вторых, в средневолновом инфракрасном диапазоне призматические волоски усиливают тепловую эмиссию, а это как раз тот диапазон, на который приходится теплоизлучение муравьиного тела (6-16 мкм). Физику этого явления понять нетрудно, для это го нужно нарисовать, как грани призмы отражают световые (электромагнитные) лучи. Наилучшим образом призматический волосок будет отражать свет, падающий под углом 30DG, хуже всего -- под углом 90DG (рис. 4). При увеличении длины волны падающего луча, согласно закону излучения Кирхгофа, отражение света будет уменьшаться, зато излучение усилится.

Рис. 4. Отражение и преломление лучей, падающих на грань треугольной призмы при разных углах падения луча

Рис. 4. Отражение и преломление лучей, падающих на грань треугольной призмы при разных углах падения луча. Бороздки на гранях увеличивают рассеяние. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Эти догадки о работе призматических волосков ученые проверили экспериментально. Они сравнили световое рассеяние и температуру муравья с волосками и без волосков. Для этого им пришлось не только наладить спектрометр под микрообъект -- муравьиную голову или брюшко, но и <<обрить>> нескольких подопытных муравьев (рис. 5). Эту последнюю манипуляцию они научились делать с помощью притупленной вольфрамовой иголки. Как написали ученые в методической части, достаточно провести иглой по волоскам, и они легко опадают, прилипая к игле за счет электростатического заряда.

Рис. 5. Слева: <<обритая>> голова муравья на двух натянутых волосках -- препарат готов к испытаниям на теплоизлучение и светорассеяние. Справа: спектрометр

Рис. 5. Слева: «обритая» голова муравья на двух натянутых волосках — препарат готов к испытаниям на теплоизлучение и светорассеяние. Справа: спектрометр. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

В эксперименте действительно подтвердилось, что рассеяние света видимого и коротковолнового инфракрасного диапазона на 25% сильнее у муравьев с волосками, чем у безволосых. Но еще интереснее, что удалось показать и увеличение теплоотдачи в средневолновом инфракрасном диапазоне. Подсчитано с использованием экспериментальных данных, что теплоэмиссия волосатой поверхности примерно на 15% сильнее, чем безволосой (рис. 6). В результате время, которое нужно тратить на <<охлаждающий>> отдых, уменьшается.

Рис. 6. Рассеяние света поверхностью тела, покрытой волосками, выше, чем безволосой поверхностью

Рис. 6. Рассеяние света поверхностью тела, покрытой волосками, выше, чем безволосой поверхностью. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Эти теоретические выкладки, подкрепленные экспериментами, прекрасно объясняют, почему у бегунков спинка волосатая, а брюшко голое. Брюшко не отражает свет, падающий сверху, зато оно должно наиболее эффективно отдавать тепло в окружающую среду при условии усиленного подогрева снизу, от раскаленного песка. Подогрев снизу -- это средневолновое инфракрасное излучение. Такое излучение будет отражаться гладкой хитиновой поверхностью, а призматические волоски, напротив, усилят поглощение волн этого спектра. Так что снизу пусть ж поверхность будет гладкой, безволосой, чтобы всё оказалось отлажено наилучшим образом.

Данные исследования позволили ученым выдвинуть предположение, что волокна с такими свойствами, как у волосков серебряных бегунков, могут быть использованы для разработки теплоизолирующих и самоохлаждающихся материалов различного назначения.

Источник: Norman Nan Shi, Cheng-Chia Tsai, Fernando Camino, Gary D. Bernard, Nanfang Yu, Rudiger Wehner. Keeping cool: Enhanced optical reflection and heat dissipation in silver ants // Science. Published online 18 June 2015.

Елена Наймарк

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

28.06 Ископаемая черепаха оказалась диапсидом

В Германии в триасовых отложениях возрастом 240 млн лет найдены ископаемые остатки рептилий, имеющих несомненные признаки черепах. Это животное, названное Pappochelys rosinae, по своему морфологическому строению и по времени существования -- настоящая промежуточная форма между примитивными рептилиями и черепахами. Также эта находка подтверждает молекулярную филогению черепах, помещающую черепах на одной ветви с ящерицами (диапсидами).

27.06 В темноте мотыльки замедляют скорость зрительного восприятия

Ночным животным и насекомым приходится приспосабливаться к условиям слабой освещенности, ведь иначе в темноте трудно найти добычу или, наоборот, легко стать ей, не заметив вовремя угрозу. Один из способов лучше видеть в темноте -- это увеличить <<выдержку>> фоторецепторов. Правда, при этом падает скорость восприятия. Американские ученые показали, что у бражника Manduca sexta скорость восприятия в темноте уменьшается ровно настолько, чтобы он успевал следовать за качающимися на ветру цветами.

26.06 Палеонтологи выяснили, как была устроена голова галлюцигении

Найденные в среднекембрийских сланцах Бёрджес отпечатки галлюцигении позволили разобраться в строении передней части тела этого странного животного, родственного современным онихофорам. У галлюцигении была удлиненная голова с парой глаз на верхней стороне и терминальным ртом, окруженным кольцом твердых пластин, а вдоль верхней стороны глотки шел ряд глоточных зубов. Эти признаки, отсутствующие у онихофор, сближают галлюцигению с круглыми червями и тихоходками.

24.06 Геномы хвостатых амфибий с самого начала были большими

Проведенное французскими палеонтологами исследование костной ткани ископаемой хвостатой амфибии Marmorerpeton показало, что это животное имело очень крупный геном, превосходящий по размеру геномы большинства современных тритонов и саламандр. Marmorerpeton -- одна из самых древних хвостатых амфибий, известных ученым. Так что крупный геном надо считать признаком, появившимся в самом начале эволюции этой группы -- возможно, в связи с какими-то особенностями жизненного цикла.

23.06 Родственник тираннозавра из Чили оказался растительноядным

Палеонтологи из Южной Америки описали нового крупного динозавра позднеюрского времени. По комплексу морфологических признаков они сблизили его с гигантскими плотоядными меловыми монстрами -- тетанурами, к которым относятся тираннозавры и велоцирапторы. Но, в отличие от своих быстрых хищных сородичей, новый динозавр был, скорее всего, растительноядным и медлительным животным.
В избранное