Kuidas hõbejuukselised sipelgad kõrbekuumusest võitsid

Sahara hõbesipelgas Krediit: Norman Nan Shi ja Nanfang Yu

Suvi Saharas on kõrvetav - liiva temperatuur võib olla vahemikus 149–158 kraadi Fahrenheiti. Kuigi keskpäeval üle Aafrika kõrbe kihutamine võib tunduda surmasoovina, on see Sahara hõbesipelga jaoks loomulik ( Cataglyphis bombycina ). Putukas väljub oma pesast maapinnast, et otsida keskpäeval toitu, taludes kuni umbes 127 °F kehatemperatuuri.

Need sipelgad, keda tuntakse kui 'termofiilsete püüdjatena', 'koguvad kokku teiste kuumastressile allunud putukate [enamasti kärbsed] laipu,' ütleb Šveitsis Zürichi ülikooli ajuuuringute instituudi professor Rüdiger Wehner, kes on õppinud. kuumust taluvad sipelgaliigid ligi neli aastakümmet. 'Mida kõrgem on temperatuur, seda rohkem on nende jaoks toitu,' ütleb ta.

Hõbesipelgas on ekstreemse kuumusega toimetulemiseks välja töötanud mitmeid kohandusi, sealhulgas omadus, mis on tema nime inspireerinud: karvad, mis sätendavad päikesevalguses hõbedaselt ning katavad tihedalt tema selga ja külgi. Sipelgas näeb välja nagu 'maas veerev elavhõbedapall, sest nad tõesti sädelevad,' ütleb Wehner. sisse aastal ilmunud uurimus Teadus , Wehner ja kolleegid avastasid, kuidas need karvad aitavad sipelgal jahedana hoida, ja avastasid, et tuulevaiksetes tingimustes võivad need kaasa aidata sipelga kehatemperatuuri viiekraadisele langusele.

Kõigepealt uuris meeskond juuste kuju ja konfiguratsiooni. Uurides sipelgate proove erinevate pildistamistehnikate abil, leidsid nad, et iga karv näeb välja nagu piklik prisma, millel on kaks lainelist külge ja üks lame külg. Karvad painduvad juurtest välja 90-kraadise nurga all, jättes sipelga keha ja folliikulite tasase külje vahele kogu pikkuses õhuvahe.

Seejärel mõõtsid teadlased spektromeetritega valguse peegeldust tervete karvadega sipelgate isenditel, samuti proovidel, mille karv oli eemaldatud. Nad leidsid, et hirsute sipelgad peegeldasid 67 protsenti sissetulevast valgusest lähi-infrapuna- ja nähtavas spektris, samas kui karvutud sipelgad hajutasid sellest valgusest vaid 41 protsenti.

Hilisem arvutimodelleerimine näitas, et juuste prismaatiline struktuur ja paigutus – st kehaga paralleelne, kuid mitte puudutamine – suurendavad peegeldust, püüdes kinni sissetuleva valguse ja hajutades seda igas suunas väljapoole. See peegeldus annab juustele ka metallilise läike. (Teadlased pole ikka veel kindlad, millist rolli mängib iga juuksekarva kahe külje lainetus.)

Uuringu teises osas leidis meeskond, et karvad ei hoia sipelgaid ainult valgust peegeldades jahedas, vaid võimaldavad ka putukatel soojust jahedamasse ümbritsevasse õhku välja lasta, kiirgades kiirgust keskmises infrapunaspektris (antud juhul , umbes 6–16 mikronit) tõhusamalt kui sipelgad karvadeta.
'[Kiirgus] levib väga vähese peegeldusega läbi juuksekatte ja seejärel õhku,' ütleb Nanfang Yu, New Yorgi Columbia ülikooli rakendusfüüsika dotsent ja uuringu autor. Aga miks ei peegelda karvad sipelga soojuskiirgust tagasi tema nahka? Selgub, et selle kiirguse lainepikkus on palju suurem kui folliikulite ristlõige, mida see läbib. Selle tulemusel toimivad juuksed keskmises infrapunakiirguses tegelikult peegeldusvastase kattena, ütleb Yu – see, mis võimaldab kiirgusel suhteliselt katkematult sipelga kehast õhku liikuda.

Hõbesipelgad kasutavad seda nähtust maksimaalselt ära, tõustes kõrgele – see tähendab, et nad liiguvad kivide või taimestiku peal olevatele kõrgustele, kus õhk on veelgi jahedam ja soojust saab tõhusamalt üle kanda. Kui putukas on oma kehatemperatuuri langetanud, hüppab ta alla tagasi ja otsib veel veidi liiva, kuni ronib uuesti üles, korrates seda protsessi ikka ja jälle, kuumadel päevadel umbes 30 minutit. 'Nad võivad veeta kuni 70 protsenti kogu oma pesast väljas käimise ajast – st väljaspool pesa - hingeldamisele, jahutamisele,' ütleb Wehner. 'See on termiliselt tihe köis, millel need sipelgad on.' (Tervislik kehatemperatuur toidu otsimise ajal on vahemikus 118–124 °F.)

Hõbedaste karvade jahutav efekt toimib koos teiste kohandustega, mis aitavad sipelgatel kuumust võita. Esiteks on nende jalad Wehneri sõnul ebaproportsionaalselt pikad, võrreldes nende kehaga, mis hõljub nelja millimeetri kõrgusel maapinnast (keskmine sipelgakeha on tõstetud vaid poole sellest kaugusele). Ta ütleb, et 'sipelga kõrgusel' võib õhutemperatuur olla 27 ° F madalam kui särisev liiv.

Sipelgad võivad ka joosta nagu sipelgad, saavutades maksimaalse kiirusega 70 sentimeetrit sekundis (tavaliselt jooksevad nad 20–30 cm/sek). Nende siblimine tekitab tuule, mis tõenäoliselt aitab neil konvektsiooni kaudu maha jahutada, mistõttu putukat ümbritsev kuum õhukiht tõuseb ülespoole, kuna see on vähem tihe kui jahedam õhk. (Wehner märgib, et seda mõju ei ole laboris süstemaatiliselt uuritud.)

Kuigi mitmed teised sipelgaliigid taluvad ekstreemset kuumust, on Wehneri sõnul hõbesipelgas potentsiaalselt ainulaadne oma sugulaste seas sportlike metallilise välimusega tangide poolest. Tema ja Yu kavatsevad põhjalikumalt uurida läikivaid liike, kasutades infrapunakaameraid, et mõõta putukate kehatemperatuuri päeva jooksul.

Meeskond on huvitatud ka hõbedaste karvade kohta õpitu rakendamisest optiliste kattekihtide väljatöötamisel, mida saaks kasutada esemete ja materjalide passiivseks jahutamiseks. 'Võib-olla on teil ühel päeval hõbedaste karvadega kasukas,' mõtiskleb Wehner.

*Seda artiklit värskendati 11. augustil 2015, et kajastada järgmist muudatust: varasemas versioonis väideti, et keskmise infrapuna valguses toimivad sipelga karvad tegelikult vaakumkeskkonnana. Fraasi on värskendatud, et näidata, et karvad toimivad peegeldusvastase kattena (sarnaselt sellele, mida võite leida prillidelt, et vähendada pimestamist või peegeldust).