蝴蝶的翅膀如此纖薄,卻不會因陽光照射而過熱,散熱結構讓人稱奇

2021-01-11 寰宇科學新觀察

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如你所見,蝴蝶的翅膀相對它們那小小的身體來說是如此巨大。它們巨大的翅膀在氣溫高達30多攝氏度甚至40多攝氏度的夏天,在強烈的太陽光底下就是兩個巨大的吸熱板,如果任由熱量吸收,就會過熱,進而影響它們那軟弱的身軀。但是,蝴蝶的翅膀特殊的結構可以避免它們在太陽下過熱,這種結構讓科學家們嘖嘖稱奇。

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在最近的一次針對蝴蝶的翅膀的研究中,科學家通過熱成像可以看到,蝴蝶的翅膀的活動部分——包括運輸血液或淋巴的靜脈,已經雄性蝴蝶用於釋放信息素的氣味斑塊——比周圍的死鱗部分釋放更多的熱量,能保持涼爽。

體溫的微小變化都會影響蝴蝶的飛行能力,因為蝴蝶胸部的肌肉必須保證是溫暖的,這樣蝴蝶才能迅速拍動翅膀起飛。但由於翅膀很薄,它們的升溫速度比胸部要快,而且會迅速過熱。

來自美國哥倫比亞大學(Columbia University)的應用物理學家餘南方(Nanfang Yu,諧音)說,人們可能會認為,鱗片覆蓋的蝴蝶翅膀「就像指甲,或者鳥的羽毛,或者人類的毛髮一樣是沒有生命的」。但實際上蝴蝶的翅膀上也有對生存和飛行至關重要的活組織,巨大的翅膀會迅速吸收溫度,高溫會讓這種昆蟲「真的感到不舒服」。

蝴蝶翅膀薄而半透明的特性使得紅外熱像儀很難區分翅膀和背景的熱量。因此,餘教授和他的同事採用紅外高光譜成像技術,在單尺度解析度下測量了50多種蝴蝶的翅膀溫度和熱發射率。

研究人員最近在《自然通訊》雜誌上發表的研究指出,管狀納米結構和一層較厚的幾丁質(昆蟲外骨骼的組成部分)從蝴蝶的翅膀組織中散發出多餘的熱量。翅膀的葉脈上覆蓋著較厚的幾丁質層,翅膀上的氣味斑塊管狀納米結構,外加額外的幾丁質。於教授說,較厚或中空的材料比薄的固體材料更容易散熱。

但這些結構只能在一定程度上保護翅膀,如果溫度過高,就會促使蝴蝶遠離強光。當研究人員在翅膀的鱗片上發射雷射時,溫度升高了,「但蝴蝶感覺不到,也不在乎,」於教授說。但當光線使蝴蝶翅膀上的血管過熱時,昆蟲就會拍動翅膀或離開。

研究小組還發現,一些蝴蝶的翅膀上有一個類似跳動的「心臟」一樣的結構。它通過蝴蝶的氣味斑塊泵輸送血淋巴,每分鐘跳動幾十次。餘教授說,翅膀必須輕,蝴蝶才能飛得好,所以在翅膀中間發現這樣的結構令人驚訝。這意味著這個翅膀上的「心臟」對於氣味斑塊的功能和健康非常重要。

一隻蝴蝶,或者一隻螞蟻,也許在我們的眼中不值一提。但是它們身上的一切都是那麼的精細複雜,都是千萬年甚至幾億年來不斷進化的結果。世界上任何一種不起眼的物種,如果滅絕了,千萬年的進化毀之一旦,那對自然界來說卻是非常大的損失。

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