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撒哈拉銀蟻:在沙漠裡混,就是這麼Cool

撒哈拉沙漠也許是地球上最可怕的生存環境之一。乾旱、炎熱、劇烈的晝夜溫差,諸多惡劣的因素奠定著這裡的恐怖基調,死一般的沉寂似乎應該是這裡唯一的旋律。然而即便在這樣的地方,生命的聲音依然鏗鏘有力。撒哈拉銀蟻(Cataglyphis bombycina)是其中引人注目的佼佼者。
撒哈拉銀蟻在烈日下搬運食物。圖片來源:Africa, BBC



要在世界上最熱的荒漠活下去,首先得耐得住熱。這些螞蟻中的“銀閃閃”們無疑將這個本事發揮到了極致——它們通常在正午陽光最強烈時覓食,那時沙漠的地表溫度可能高達70℃。在躲過沙漠蜥蜴等捕食者的威脅後,撒哈拉銀蟻必須爭分奪秒地尋找被熱死的昆蟲,拖回家飽餐一頓。  


      這些銀蟻何以做到不懼酷暑?這跟它們令人驚嘆的銀色“盔甲”又有沒有關係?美國哥倫比亞大學應用數學與應用物理學系的助理教授虞南方,與好友蘇黎世大學呂迪格·維納(Rüdiger Wehner)教授、西雅圖華盛頓大學的加里·伯納德(Gary Bernard)教授等人決定一探究竟。“我們一直都很好奇,這些體長大概只有10毫米的撒哈拉銀蟻,怎麼能在這樣惡劣的環境和巨大的生存壓力下存活下來。”虞南方說,“在絕大多數時間內,這些螞蟻必須讓自己的體溫維持在53.6℃以下。”換言之,不管環境再怎麼熱,撒哈拉銀蟻得有辦法讓自己在一定時間內保持足夠“冷酷”,否則就只有死路一條。  



      顯然,這些小傢伙們有這樣的本領。為了破解其中奧秘,虞南方等人首先用掃描電子顯微鏡對銀蟻進行拍攝。結果顯示,在撒哈拉銀蟻的背部和體側部,也即是銀蟻反射出銀色光芒的區域,排列著緻密而有序的毛。 



撒哈拉銀蟻頭部掃描電鏡圖,可觀察到緻密的毛髮排列。圖片來源:研究論文


     這些毛有著特殊的結構:它們的橫截面是三角形,貼近身體的一面平滑,而另外兩個面則呈現出波紋形態。它們逐漸變細形成一個尖端,並以相同的方向覆蓋在銀蟻的體表。
研究者隨後發現,這些獨特的毛髮正是銀蟻帥氣外表與耐熱內涵的來源。
原來,這些毛的三角形橫截面可以有效地反射來自不同入射角度的可見光和近紅外光(NIR)。在入射角約為30°時,這些毛貼近身體的那個平滑面可以完全反射掉所有的入射光。"當銀蟻在沙漠中快速爬行(撒哈拉銀蟻的爬行速度可高達每秒0.7米)時,它們看起來就像是在沙子上流動的水銀滴。
"虞南方說"銀蟻的這層毛髮可以有效地反射掉波長在400nm至2μm的可見光和NIR——這些波段的電磁波也正是太陽光的主要組成部分。”

註:
虞南方
成都七中2000級學生
2004年本科畢業於北京大學電子學系
2009年在哈佛大學獲博士學位
目前在哈佛大學工程和應用科學學院做博士后研究,其人工界面改寫光反射和折射定律這項成果
2011年9月2日在美國《科學》雜誌上發表,在國際學術界引起轟動。虞南方為第一作者,哈佛大學已為此申請專利。


聚焦離子束削斷毛髮後觀察到的三角形橫截面圖。圖片來源:研究論文


      此外,銀蟻的毛還賦予銀蟻極高的熱輻射率——它們可以向外界輻射波長為6-16μm的中紅外光(MIR)來散出熱量。虞南方說:“物理學家用發射率來衡量物體向外輻射熱量的能力。黑體具有最佳的熱輻射能力,它表面的發射率為1。而在中紅外波段,得益於自己的毛髮,銀蟻的發射率被提升到接近黑體。”  然而離開了這層毛之後,銀蟻似乎也就收了神通:虞南方給銀蟻做了“脫毛”後發現,銀蟻保持低溫的能力顯著下降。“在同樣的環境下,正常銀蟻的體溫可以比被'脫毛'了的銀蟻低5-10℃。

去除頭部毛髮前後,撒哈拉銀蟻頭部的散熱性能對比。圖片來源:虞南方




         這些結果發表在最新一期的《科學》(Science)雜誌[1]上。虞南方指出,撒哈拉銀蟻的降溫手段將可能啟發工業生產。現在,研究者正致力於利用便宜的原材料和工藝開發散熱性能上佳的塗層。通過效法銀蟻,人們也許能藉助對陽光的高效反射和熱輻射來為車輛、建築、衣物和高溫儀器等進行降溫。 
 “深海魚類的眼睛可以幫助它們在漆黑的深海中捕食,蜜蜂們可以感知紫外光,很多甲蟲和蝴蝶可以運用翅膀上微觀結構的變化來改變顏色,螢火蟲則可以用產生的生物熒光進行交流… …

”虞南方說,“動物們進化出了各種各樣的機制來感知和控制電磁波,它們的許多天然器官在復雜性和效率上都常常超出了我們人類設計的裝置。這或許能夠對仿生科技帶來不小的啟發。


撒哈拉銀蟻:“能在這里活下來,可不只是長得拉風就夠了!”圖片來源:虞南方





BBC介紹影片










參考文獻: 
 Shi, Norman Nan, et al. "Keeping cool: Enhanced optical reflection and heat dissipation in silver ants." Science (2015): aab3564.

文章題圖:虞南方  
作者:Lucorta92 
來源:http://www.guokr.com/article/440436/ 
技術提供:Blogger.