Kako mravi u Sahari održavaju tijelo hladnim?
Nanfang Yu, profesor primijenjene fizike sa Tehničkog fakulteta u Columbiji i njegove kolege sa Sveučilišta u Zürichu i Sveučilišta u Washingtonu su otkrili dvije ključne strategije koje omogućavaju saharskim srebrnim mravima da tijelo zadrže hladnim u jednom od najtoplijih kopnenih područja na Zemlji.
Yuov tim je prvi koji prikazuje kako mravi koriste sloj jedinstveno oblikovanih dlaka kako bi upravljali elektromagnetskim valovima preko izuzetno širokog spektra (vidljivog i infracrvenog) za spektar termalne radijacije, i da se koriste različiti fizički mehanizmi u različitim spektralnim slojevima kako bi se ostvarila ista biološka funkcija smanjivanja tjelesne temperature. Njihovo istraživanje, pod nazivom “Saharski srebrni mravi ostaju hladni kombiniranjem poboljšanje optičke refleksije i radijativnog širenja topline”, objavljen je u časopisu Science 18. 06.
“Ovo je poučan primjer kako je evolucija potaknula prilagodbu svojstava kako bi izvršila psihološke zadatke i osigurala preživljavanje, u ovom slučaju kako bi zaštitila saharske srebrne mrave od pregrijavanja,” kaže Yu. “Premda smo imali mnogo studija o fizičkim optikama živućih sustava u ultraljubičastom i vidljivom dijelu spektra, naše razumijevanje uloge infracrvenog svjetla u njihovom životu je znatno manje napredno. Naša studija pokazuje da svjetlo vidljivo ljudskom oku ne znači nužno da ne igra ključnu ulogu za žive organizme.”
Projekt je prvotno potaknut pitanjem je li primjetan srebrni sloj na mravu važan da ih drži hladnima na velikim vrućinama. Tim profesora Yua je otkrio da odgovor na pitanje dodiruje znatno šira pitanja kada su shvatili važnu ulogu infracrvenog svjetla. Njihovo otkriće, da postoji biološko rješenje za termoregulatorni problem, moglo bi dovesti do razvoja novih jednostavnih optičkih sastava koji imaju savršena svojstva hlađenja.
“Takve površine za hlađenje inspirirane biologijom će imati velika svojstva reflektiranja u sunčevom spektru i veliku učinkovitost zračenja u termalnom spektru zračenja,” objašnjava Yu. “Tako da bi ovo moglo proizvesti korisne primjene kao što su površine za hlađenje vozila, zgrada, instrumenata ili čak odjeće.”
Saharski srebrni mravi (Cataglyphis bombycina) hranu traže u pustinji Sahari, po najvećem dnevnom suncu, kada temperatura površine iznosi i do 70°C i svoju tjelesnu temperature moraju većinu vremena držati ispod kritičnog temperaturnog maksimuma od 53.6°C. Na svojim putovanjima u potrazi ga hranom, mravi traže tijela insekata i drugih artropoda koji su uginuli pri teškim uvjetima u vrućoj pustinji, gdje nisu mogli uspješnije izdržati uvjete u pustinji. Najaktivniji su tijekom najtoplijeg trenutka u danu i to im također omogućava da izbjegnu pustinjske predatore – guštere. Istraživači su se dugo pitali kako ovi mali insekti (dugi oko 10 mm) mogu preživjeti pod takvim izuzetno visokim temperaturama i stresnim uvjetima.
Učinak termalne radijacije
Upotrebom elektronske mikroskopije i ionskog snopa, Yuova grupa je otkrila da je gornja površina tijela mrava, kao i njegove strane, pokrivena pokrovom jedinstveno oblikovanih dlaka s trokutnim preklopima koji ih na dva načina drže hladnima. Te dlake imaju veliku reflektivnost pod vidljivim i infracrvenim svjetlom, tj. u području najvećeg sunčevog zračenja (mravi trče brzinom do 0,7 metara u sekundi i izgledaju kao kapljice žive na pustinjskoj površini). Dlake također zrače u infracrvenom dijelu elektromagnetnog spektra, gdje služe kao sloj za protu –odbijanje, što poboljšava sposobnost mrava da odbiju preveliku količinu topline preko termalne radijacije, koja se emitira iz toplog tijela mrava u hladno nebo. Ovakav učinak pasivnog hlađenja djeluje pri najvećoj vrućini kada su insekti izloženi jasnom nebu.
“Kako biste mogli cijeniti učinak termalne radijacije, pomislite na prohladni osjećaj koji osjetite kad ujutro ustanete iz kreveta,” kaže Yu. Polovica gubitka energije u tom trenutku javlja se zbog termalne radijacije jer je temperatura naše kože u tom trenutku znatno veća od temperature našeg okoliša.”
Istraživači su otkrili da poboljšana reflektivnost u sunčevom spektru i poboljšana temperaturno-radijacijska učinkovitost imaju slične doprinose smanjenju tjelesne temperature srebrnih mrava, od 5 do 10 stupnjeva u poređenju sa situacijom gdje mravi nemaju takav pokrov od dlaka. “Činjenica je da ti srebrni mravi mogu upravljati elektromagnetskim valovima preko tako širokog spektra pokazuje nam koliko je složena funkcija tih naizgled jednostavnih bioloških organa kao što su insekti”, primijetio je Norman Nan Shi, vodeći autor studije i kandidat za doktorat koji s profesorom Yuom radi na Tehničkom fakultetu Sveučilišta u Kolumbiji.
Yu i Shi su surađivali na projektu s Rüdigerom Wehnerom sa Instituta za istraživanje mozga koji djeluje u sklopu Sveučilišta u Zürichu, u Švicarskoj, i s Garyem Bernardom, profesorom elektrotehnike na Sveučilištu u Washingtonu, u Seattleu, a koji su stručnjaci za studije psihologije i ekologije insekata. Inženjerski tim sa Sveučilišta u Kolumbiji je smislio i proveo sav eksperimentalni rad, uključujući eksperimente mikroskopije i spektroskopije, termodinamike, računarske simulacije i izradu modela. Trenutno rade na prilagođavanju inženjerskih lekcija koje su naučili iz studije o saharskim srebrnim mravima, kako bi stvorili jednostavne optičke komponente, ili “meta-površine”, koje se sastoje od nizova nanofotonskih elemenata i stvorili optička i termalna radijativna svojstva.
Yu i članovi njegovog time sada planiraju da prošire svoje istraživanje na druge životinje i organizme koji žive u izuzetnim uvjetima i pokušavaju naučiti strategije koje su ova bića razvila kako bi se borili protiv teških uvjeta svog okoliša.
“Životinje su razvile razne strategije kako bi shvatile i upotrijebile elektromagnetne valove: ribe koje žive u dubokim vodama imaju vid koji im omogućava da plivaju i love u tamnim vodama, leptiri stvaraju boje iz nanostruktura u svojim krilima, pčele koje proizvode med mogu vidjeti i djelovati na ultraljubičaste signale, a krijesnice koriste svjetlosni sustav komuniciranja,” dodaje Yu. “Organi koji su se razvili za shvaćanje elektromagnetskih valova ili za njihovo upravljanje često nadilaze analogne uređaje koje su napravili ljudi i po detaljima i učinkovitosti. Razumijevanje i upotreba koncepata iz prirode produbljuje naše znanje o složenim biološkim sustavima i daje nam ideje za stvaranje novih tehnologija.”
Na slici: "Saharan silver ants capturing beetle" - Bjørn Christian Tørrissen
Izvor: Sciencedaily