Как мравките със сребристи коси се справят с жегата в пустинята

Сребърната мравка от Сахара Снимка: Норман Нан Ши и Нанфан Ю

Лятото в Сахара е жарко - температурите на пясъка могат да варират между 149-158 градуса по Фаренхайт. Докато скитането през африканската пустиня по обяд може да звучи като желание за смърт, това е съвсем естествено за сахарската сребърна мравка ( Cataglyphis bombycina ). Насекомото излиза от гнездото си в земята, за да търси храна по обяд, като е способно да издържа на телесни температури до около 127°F.

Известни като „термофилни чистачи“, тези мравки „събират трупове на други насекоми [предимно мухи], които са се поддали на топлинния стрес“, казва Рюдигер Венер, професор в Института за изследване на мозъка към университета в Цюрих, Швейцария, който изучава топлоустойчиви видове мравки в продължение на почти четири десетилетия. „Колкото по-висока е температурата, толкова повече храна за тях има наоколо“, казва той.

Сребърната мравка е развила няколко адаптации, за да се справи с екстремните горещини, включително черта, която е вдъхновила името й: косми, които блестят в сребро на слънчева светлина и които плътно покриват гърба и страните й. Мравката изглежда като „топка живак, която се търкаля по земята, защото те наистина блестят“, казва Венер. в проучване, публикувано наскоро в Наука Wehner и колеги откриха как тези косми помагат на мравката да се охлади и откриха, че могат да допринесат за петградусово понижаване на телесната температура на мравка при безветрие.

Първо екипът изследва формата и конфигурацията на косата. Изследвайки екземпляри от мравки чрез различни техники за изобразяване, те откриха, че всеки косъм изглежда като удължена призма с две гофрирани страни и една плоска страна. Космите се извиват от корените си под ъгъл от 90 градуса, оставяйки въздушна междина между тялото на мравката и плоската страна на фоликулите по дължината им.

След това изследователите са използвали спектрометри за измерване на отражението на светлината в екземпляри от мравки с непокътнати косми, както и екземпляри, чиято коса е била отстранена. Те открили, че косматите мравки отразяват 67 процента от входящата светлина в близкия инфрачервен и видимия спектър, докато мравките без косми разпръскват само 41 процента от тази светлина.

Последващото компютърно моделиране показа, че призматичната структура и подредба на косъма - тоест успоредна, но не докосваща тялото - подобрява отражението, като улавя входящата светлина и я разпръсква навън във всички посоки. Това отражение също така придава на космите техния метален блясък. (Изследователите все още не са сигурни каква роля играе гофрирането от двете страни на всеки косъм.)

В друга част от изследването екипът установи, че космите не само охлаждат мравките, като отразяват светлината – те също така позволяват на насекомите да изхвърлят топлината в по-хладния заобикалящ въздух, като излъчват радиация в средния инфрачервен спектър (в този случай , около 6-16 микрона) по-ефективно от мравките без коса.
„[Радиацията] се разпространява с много малко отражение през покритието на косата и след това във въздуха“, казва Нанфан Ю, асистент по приложна физика в Колумбийския университет в Ню Йорк и автор на изследването. Но защо космите не отразяват топлинното излъчване на мравката обратно в кожата й? Оказва се, че дължината на вълната на това лъчение е много по-голяма от напречното сечение на фоликулите, през които преминава. В резултат на това в средния инфрачервен диапазон косата всъщност функционира като антирефлексно покритие, казва Ю – такова, което позволява на радиацията да се движи от тялото на мравката към въздуха относително непрекъснато.

Сребърните мравки се възползват максимално от това явление, като се надигат - т.е. преместват се на възвишения върху камъни или растителност, където въздухът е още по-хладен и топлината може да се пренася по-ефективно. След като насекомото понижи телесната си температура, то се спуска обратно и търси храна по пясъка още малко, докато се изкачи отново, повтаряйки процеса отново и отново, за около 30 минути в горещите дни. „Те могат да прекарат до 70 процента от цялото си време извън гнездото – т.е., когато са извън гнездото – в почивка, в разхлаждане“, казва Венер. „Това е термично опънато въже, на което са тези мравки.“ (Здравословните телесни температури по време на търсене на храна варират от около 118-124°F.)

Охлаждащият ефект на сребърните косми работи съвместно с други адаптации, които помагат на мравките да победят топлината. От една страна, краката им са непропорционално дълги в сравнение с тялото им, което се рее на четири милиметра над земята, според Wehner (средното тяло на мравка е повдигнато само на половината от това разстояние). На „високата мравка“ температурата на въздуха може да бъде с 27°F по-ниска от цвъртящия пясък, казва той.

Мравките също могат да тичат като Дикенс, достигайки максимална скорост от 70 сантиметра в секунда (обикновено те тичат 20-30 см/сек). Тяхното бързане генерира вятър, който вероятно им помага да се охладят чрез конвекция, при което горещият слой въздух около насекомото се издига, защото е по-малко плътен от по-хладния въздух. (Wehner отбелязва, че този ефект не е систематично изследван в лабораторията.)

Докато няколко други вида мравки могат да понасят екстремни горещини, Wehner казва, че сребърната мравка е потенциално уникална сред роднините си за спортни коси с метален вид. Той и Ю планират да проучат допълнително лъскавите видове на полето, като използват инфрачервени камери за измерване на телесните температури на насекомите, докато вървят през деня.

Екипът също така се интересува от прилагането на това, което са научили за сребърните косми, за разработване на оптични покрития, които могат да се използват за пасивно охлаждане на предмети и материали. „Може би един ден ще имате кожено палто със сребристи косми“, разсъждава Венер.

* Тази статия беше актуализирана на 11 август 2015 г., за да отрази следната промяна: в по-ранна версия се посочва, че в средния инфрачервен диапазон косата на мравката „всъщност функционира като вакуумна среда“. Фразата е актуализирана, за да покаже, че космите функционират като антирефлексно покритие (подобно на това, което може да намерите на очила за намаляване на отблясъците или отражението).