如何給蝴蝶翅膀“量體溫”？這回溫度計(jì)可不好使了

在近期發(fā)表的一項(xiàng)研究中，來(lái)自哥倫比亞大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究者們分享了一種普通人大概很難想到的新技術(shù)：如何給蝴蝶測(cè)量體溫。確切地說(shuō)，他們精確地測(cè)量了蝴蝶翅膀上各個(gè)部分的溫度。

不過(guò)首先，人們?cè)趺磿?huì)想到給蝴蝶量體溫呢？其實(shí)，科學(xué)家們是想要了解蝴蝶翅膀散熱的秘密。

小紅蛺蝶（Vanessa cardui） | Jean-Pol GRANDMONT/Wikipedia

蝴蝶翅膀也怕熱

有些人可能會(huì)覺(jué)得，蝴蝶翅膀就像指甲或者羽毛一樣，是由一些沒(méi)有生命的組織構(gòu)成的，但事實(shí)并非如此。在蝴蝶的翅膀上，也有很多充滿生機(jī)的活細(xì)胞組織存在，這其中包括輸送著氣體與血淋巴的脈管系統(tǒng)，以及各種神經(jīng)感受器。除此之前，在一些雄性蝴蝶的翅膀上還存在著形態(tài)各異的發(fā)香器（androconial organ），它們可以釋放出信息素，用來(lái)吸引伴侶。

在對(duì)蝴蝶翅膀進(jìn)行顯微觀察時(shí)，研究者們還發(fā)現(xiàn)了一種有趣的結(jié)構(gòu)——他們將其稱(chēng)為“翼心”（wing heart）?！耙硇摹毕癖靡粯邮湛s，以每分鐘幾十次的速率跳動(dòng)著，輸送著被稱(chēng)為血淋巴（hemolymph）的昆蟲(chóng)血液。

褐背青小灰蝶（Parrhasius malbum）翅膀中跳動(dòng)的“翼心”結(jié)構(gòu) | C. Tsai et al

而所有這些活著的組織，都需要適宜的溫度才能正常工作。蝴蝶們需要通過(guò)曬太陽(yáng)等方式保持溫暖，但蝴蝶翅膀的熱容很小，如果曬過(guò)頭就很容易變得過(guò)熱。蝴蝶們有什么方法能保護(hù)翅膀上的活細(xì)胞不被“烤熟”嗎？它們會(huì)如何為翅膀散熱？這正是研究者們想要知道的。

如何給蝴蝶翅膀測(cè)溫度？

要想知道這一點(diǎn)，首先需要知道在太陽(yáng)的照射下，蝴蝶翅膀溫度究竟會(huì)如何變化。但給蝴蝶“量體溫”可不是那么容易的事情。

蝴蝶翅膀的熱容很小，也就意味著直接接觸的測(cè)量方法很容易改變它的溫度，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)。那么利用紅外熱成像進(jìn)行非接觸的測(cè)量呢？蝴蝶翅膀?qū)t外光是半透明的，普通的熱成像儀也無(wú)法得出準(zhǔn)確的結(jié)果。

在紅外相機(jī)下，蝴蝶翅膀顯示出美麗的圖案，其中明亮的部分更擅長(zhǎng)散發(fā)熱輻射，但這張圖并不能直接體現(xiàn)翅膀的溫度 | NANFANG YU AND CHENG-CHIA TSAI

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究者們對(duì)蝴蝶進(jìn)行了紅外高光譜成像，分別確定了翅膀各部分透射、反射和發(fā)射紅外光的情況。這樣一來(lái)，再對(duì)熱成像進(jìn)行分析，就能得出蝴蝶翅膀上準(zhǔn)確的溫度分布。

結(jié)果顯示，蝴蝶的翅膀確實(shí)控溫有方：當(dāng)被模擬陽(yáng)光的光線照射時(shí)，“活組織”的部分相比周?chē)摹八澜M織”溫度總是更低一些。

特別的散熱結(jié)構(gòu)

為什么會(huì)有這樣的溫度差異？研究人員發(fā)現(xiàn)，蝴蝶翅膀上存在活組織的部分有更高的的熱發(fā)射率（Emissivity），也就說(shuō)，它們更擅長(zhǎng)用熱輻射的方式散發(fā)熱量。熱發(fā)射率的差異與幾丁質(zhì)層的厚度以及不同類(lèi)型鱗片上特殊的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

蝴蝶翅膀不同部位覆蓋著結(jié)構(gòu)不同的鱗片，這影響著局部的散熱能力 | C. Tsai et al

但即使如此，蝴蝶仍可能會(huì)面對(duì)過(guò)熱的情況。這時(shí)候，蝴蝶翅膀上的溫度感受器會(huì)感知并過(guò)熱并避開(kāi)熱源。研究者們發(fā)現(xiàn)，將一束會(huì)導(dǎo)致局部升溫的激光照射在蝴蝶翅膀“非生命”的區(qū)域時(shí)，蝴蝶不為所動(dòng)；而如果照到翅脈等活組織存在的區(qū)域，那么只要升溫達(dá)到了一定幅度（“觸發(fā)溫度”大約在42°C左右），蝴蝶就會(huì)調(diào)整翅膀躲避光斑，甚至拍打著翅膀飛離熱源。

一只翅膀局部被激光加熱的被試蝴蝶（紅外熱成像） | C. Tsai et al

蝴蝶翅膀不僅是活的，而且還自帶過(guò)熱檢測(cè)與散熱系統(tǒng)。蝴蝶鱗片中幫助散熱的結(jié)構(gòu)，或許也可以用于設(shè)計(jì)新型的輻射冷卻材料。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-020-14408-8

作者：ARU

編輯：窗敲雨

本文來(lái)自果殼，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載.

如有需要請(qǐng)聯(lián)系sns@guokr.com