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撒哈拉银蚁:在沙漠里混,就是这么Cool

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Lucorta92 发表于  2015-06-23 15:42

撒哈拉沙漠也许是地球上最可怕的生存环境之一。干旱、炎热、剧烈的昼夜温差,诸多恶劣的因素奠定着这里的恐怖基调,死一般的沉寂似乎应该是这里唯一的旋律。然而即便在这样的地方,生命的声音依然铿锵有力。撒哈拉银蚁(Cataglyphis bombycina)是其中引人注目的佼佼者。

撒哈拉银蚁在烈日下搬运食物。图片来源:Africa, BBC

要在世界上最热的荒漠活下去,首先得耐得住热。这些蚂蚁中的“银闪闪”们无疑将这个本事发挥到了极致——它们通常在正午阳光最强烈时觅食,那时沙漠的地表温度可能高达70℃。在躲过沙漠蜥蜴等捕食者的威胁后,撒哈拉银蚁必须争分夺秒地寻找被热死的昆虫,拖回家饱餐一顿。

这些银蚁何以做到不惧酷暑?这跟它们令人惊叹的银色“盔甲”又有没有关系?美国哥伦比亚大学应用数学与应用物理学系的助理教授虞南方,与好友苏黎世大学吕迪格·维纳(Rüdiger Wehner)教授、西雅图华盛顿大学的加里·伯纳德(Gary Bernard)教授等人决定一探究竟。“我们一直都很好奇,这些体长大概只有10毫米的撒哈拉银蚁,怎么能在这样恶劣的环境和巨大的生存压力下存活下来。”虞南方说,“在绝大多数时间内,这些蚂蚁必须让自己的体温维持在53.6℃以下。”换言之,不管环境再怎么热,撒哈拉银蚁得有办法让自己在一定时间内保持足够“冷酷”,否则就只有死路一条。

显然,这些小家伙们有这样的本领。为了破解其中奥秘,虞南方等人首先用扫描电子显微镜对银蚁进行拍摄。结果显示,在撒哈拉银蚁的背部和体侧部,也即是银蚁反射出银色光芒的区域,排列着致密而有序的毛。

撒哈拉银蚁头部扫描电镜图,可观察到致密的毛发排列。图片来源:研究论文

这些毛有着特殊的结构:它们的横截面是三角形,贴近身体的一面平滑,而另外两个面则呈现出波纹形态。它们逐渐变细形成一个尖端,并以相同的方向覆盖在银蚁的体表。研究者随后发现,这些独特的毛发正是银蚁帅气外表与耐热内涵的来源。原来,这些毛的三角形横截面可以有效地反射来自不同入射角度的可见光和近红外光(NIR)。在入射角约为30°时,这些毛贴近身体的那个平滑面可以完全反射掉所有的入射光。“当银蚁在沙漠中快速爬行(撒哈拉银蚁的爬行速度可高达每秒0.7米)时,它们看起来就像是在沙子上流动的水银滴。”虞南方说,“银蚁的这层毛发可以有效地反射掉波长在400nm至2μm的可见光和NIR——这些波段的电磁波也正是太阳光的主要组成部分。”

聚焦离子束削断毛发后观察到的三角形横截面图。图片来源:研究论文

此外,银蚁的毛还赋予银蚁极高的热辐射率——它们可以向外界辐射波长为6-16μm的中红外光(MIR)来散出热量。虞南方说:“物理学家用发射率来衡量物体向外辐射热量的能力。黑体具有最佳的热辐射能力,它表面的发射率为1。而在中红外波段,得益于自己的毛发,银蚁的发射率被提升到接近黑体。”

然而离开了这层毛之后,银蚁似乎也就收了神通:虞南方给银蚁做了“脱毛”后发现,银蚁保持低温的能力显著下降。“在同样的环境下,正常银蚁的体温可以比被‘脱毛’了的银蚁低5-10℃。”

去除头部毛发前后,撒哈拉银蚁头部的散热性能对比。图片来源:虞南方

这些结果发表在最新一期的《科学》(Science)杂志[1]上。虞南方指出,撒哈拉银蚁的降温手段将可能启发工业生产。现在,研究者正致力于利用便宜的原材料和工艺开发散热性能上佳的涂层。通过效法银蚁,人们也许能借助对阳光的高效反射和热辐射来为车辆、建筑、衣物和高温仪器等进行降温。

“深海鱼类的眼睛可以帮助它们在漆黑的深海中捕食,蜜蜂们可以感知紫外光,很多甲虫和蝴蝶可以运用翅膀上微观结构的变化来改变颜色,萤火虫则可以用产生的生物荧光进行交流……”虞南方说,“动物们进化出了各种各样的机制来感知和控制电磁波,它们的许多天然器官在复杂性和效率上都常常超出了我们人类设计的装置。这或许能够对仿生科技带来不小的启发。”

撒哈拉银蚁:“能在这里活下来,可不只是长得拉风就够了!”图片来源:虞南方

(编辑:Calo)

感谢论文通讯作者虞南方老师为此文提供的帮助。

参考文献:

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

文章题图:虞南方

 
 
 

热门评论

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全部评论(53)
  • 1楼
    2015-06-23 15:52 NashLegend

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 2楼
    2015-06-23 15:54 日布隆松

    差一点

    [0] 评论
  • 3楼
    2015-06-23 16:15 有人

    三体人?

    [9] 评论
  • 4楼
    2015-06-23 16:15 Sigman

    脱了毛好难看

    [0] 评论
  • 5楼
    2015-06-23 16:38 牛油撕破啦

    这才是真正的“发型不能乱”啊..

    [24] 评论
  • 6楼
    2015-06-23 17:03 Olak

    谁叫我?

    [1] 评论
  • 7楼
    2015-06-23 17:26 窗敲雨 药学硕士

    推荐亮了_(:з」∠)_

    [99] 评论
  • 8楼
    2015-06-23 20:27 伟大的脆弱

    在庞贝蠕虫面前,这只蚂蚁简直被虐成渣。

    来自山寨果壳.wp
    [0] 评论
  • 9楼
    2015-06-23 22:08 差300上清华

    那脚踩在那么烫的地方咋办。。。。

    [1] 评论
  • 10楼
    2015-06-23 23:28 牧羊人笔记

    金属质感,好像机器人

    [0] 评论
  • 11楼
    2015-06-24 00:43 sunfield

    University of Washington, Seattle 是“位于西雅图市的华盛顿大学”(区别于st Louis的WashU)吧?而且西雅图本来就是主校区,似乎算不上“分校”吧?

    [0] 评论
  • 12楼
    2015-06-24 09:04 杲小烨
    引用@阴月 的话:然而即使是这种防护,也只能在正午活动最多10分钟,超过7分钟较弱的个体就会过热死亡。

    我记得纪录片有讲过这种蚂蚁~

    [0] 评论
  • 13楼
    2015-06-24 10:04 Calo 果壳科技编辑
    引用@sunfield 的话:University of Washington, Seattle 是“位于西雅图市的华盛顿大学”(区别于st Louis的WashU)吧?而且西雅图本来就是主校区,似乎算不上“分校”吧?

    my fault, 多谢指正

    [0] 评论
  • 14楼
    2015-06-24 10:22 飞翔的红猪_56583

    撒哈拉银蚁的爬行速度可高达每秒0.7米--------这是怎么样的速度啊?

    [8] 评论
  • 15楼
    2015-06-24 10:29 ArCHBiSHoP

    感觉可以用在电脑上

    [0] 评论
  • 16楼
    2015-06-24 10:41 南風薫
    撒哈拉银蚁的爬行速度可高达每秒0.7米

    这个数据准确吗?前文说撒哈拉银蚁“体长大概只有10毫米”,相比较一下这个移动速度过于惊人了。

    [0] 评论
  • 17楼
    2015-06-24 10:55 蓝天-绿地

    还配了动态图片,译者精心!

    [0] 评论
  • 18楼
    2015-06-24 11:26 旅葵

    怎么给蚂蚁脱发

    [0] 评论
  • 19楼
    2015-06-24 12:32 心里的坏小孩

    巨像!

    [0] 评论
  • 20楼
    2015-06-24 14:47 Calo 果壳科技编辑
    引用@南風薫 的话:这个数据准确吗?前文说撒哈拉银蚁“体长大概只有10毫米”,相比较一下这个移动速度过于惊人了。

    嗯这个数据是论文作者提供的。之前在纪录片《非洲》里面,摄影师用慢镜头捕捉后算出的银蚁速度大概在50cm每秒,开玩笑说这相当于人跑到280mph...


    [0] 评论
  • 21楼
    2015-06-24 15:54 TyeavRozoc

    捉只蚂蚁打个SEM就能发science,呵呵

    [2] 评论
  • 22楼
    2015-06-24 16:42 SilverAnt

    银蚁前来报到~

    [0] 评论
  • 23楼
    2015-06-24 16:58 南風薫
    引用@Calo 的话:嗯这个数据是论文作者提供的。之前在纪录片《非洲》里面,摄影师用慢镜头捕捉后算出的银蚁速度大概在50cm每秒,开玩笑说这相当于人跑到280mph...

    谢谢地址,晚上回家去补。

    [0] 评论
  • 24楼
    2015-06-24 21:08 言贩子
    引用@飞翔的红猪_56583 的话:撒哈拉银蚁的爬行速度可高达每秒0.7米--------这是怎么样的速度啊?

    应该是写错了,要达到这个速度,除非是飞行。

    [0] 评论
  • 25楼
    2015-06-25 01:41 xr1997

    为什么与黑体类似呢?黑体的辐射率是0啊

    [0] 评论
  • 26楼
    2015-06-25 08:43 食色一族

    酷啊!

    [0] 评论
  • 27楼
    2015-06-25 09:48 炮灰队长

    运用在高温环境的管道运输就nb了...

    不流失~不蒸发~0浪费~

    [0] 评论
  • 28楼
    2015-06-25 12:10 庞启络滕

    为啥没人关心是咋脱毛的?

    [1] 评论
  • 29楼
    2015-06-25 15:33 ay9o.

    这酷炫的色彩~

    好想养一窝子

    [0] 评论
  • 30楼
    2015-06-25 21:54 janschanhz

    在如此炎热的环境下,居然还能找到食物,作为它们的食物也是蛮拼的。

    [0] 评论

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Lucorta92 生理学博士生

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