Серебряные муравьи-бегунки Cataglyphis bombycinus, обитатели жарких африканских пустынь, вполне оправдывают свое название: на солнце их тело отливает серебристым блеском. Энтомологи и физики стали разбираться, с чем связана такая необычная наружность серебряных бегунков. Изучение муравьиной внешности привело исследователей к идее теплоизолирующих материалов нового типа.

Серебряные муравьи-бегунки удивительны: они обитают в самых жарких и засушливых пустынях Центральной и Северной Африки. Они остаются активны при исключительно высоких температурах — до 58°C, когда всё другое население пустыни прячется в норы и бездействует. Они занимают нишу дневных пустынных падальщиков — их добычей становятся те, кто менее устойчив к африканской жаре и умер от перегрева или обезвоживания. Что же помогло этим муравьям стать рекордсменами термостойкости?

Известно, что длинные ноги поддерживают их тело чуть выше от горячей поверхности песка, чем у других насекомых. Известно также, что эффективный теплообмен обеспечивают щелевидные дыхальца. Помогает выжить на жаре и особый способ фуражировки (добывания питания) — «мелкими перебежками». Пробежав по земле короткое расстояние, муравей забирается на камень или сухую травинку и, используя резкий вертикальный термоградиент, сбрасывает избыток тепла; затем бежит дальше. В таких «охлаждающих» паузах муравей проводит около 70% всего фуражировочного времени. Но этого недостаточно. Как выяснили специалисты из Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории, Вашингтонского и Колумбийского университетов (США) и Цюрихского университета (Швейцария), справляться с высокой температурой муравьям помогает необычный густой волосяной покров. Всё их тело сверху и с боков закрыто слоем волосков (рис. 2).

Рис. 2. Серебряный бегунок густо покрыт отливающими на свету волосками. Фото с сайта newscientist.com

Эти волоски, как выяснилось, имеют в сечении треугольную форму, постепенно сужаются к концам и направлены строго параллельно друг другу. Две верхние грани призмы имеют продольные бороздки или морщинки, а нижняя грань гладкая (рис. 3).

Рис. 3. A — серебряный бегунок, отдыхающий от жаркой земли, забравшись повыше на сухое растение; B — голова муравья, покрытая волосками; C — волоски, налегающие друг на друга; D — видны треугольные сечения волосков и скульптурная поверхность верхних граней; E — верхняя и нижняя грани волосков: верхняя со скульптурой, а нижняя гладкая. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Этот необычный волосяной покров работает двояко. Во-первых, он отражает свет в видимом и в коротковолновом инфракрасном диапазоне. Бороздки на гранях усиливают рассеивающий эффект. Во-вторых, в средневолновом инфракрасном диапазоне призматические волоски усиливают тепловую эмиссию, а это как раз тот диапазон, на который приходится теплоизлучение муравьиного тела (6–16 мкм). Физику этого явления понять нетрудно, для этого нужно нарисовать, как грани призмы отражают световые (электромагнитные) лучи. Наилучшим образом призматический волосок будет отражать свет, падающий под углом 30°, хуже всего — под углом 90° (рис. 4). При увеличении длины волны падающего луча, согласно закону излучения Кирхгофа, отражение света будет уменьшаться, зато излучение усилится.

Рис. 4. Отражение и преломление лучей, падающих на грань треугольной призмы при разных углах падения луча. Бороздки на гранях увеличивают рассеяние. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Эти догадки о работе призматических волосков ученые проверили экспериментально. Они сравнили световое рассеяние и температуру муравья с волосками и без волосков. Для этого им пришлось не только наладить спектрометр под микрообъект — муравьиную голову или брюшко, но и «обрить» нескольких подопытных муравьев (рис. 5). Эту последнюю манипуляцию они научились делать с помощью притупленной вольфрамовой иголки. Как написали ученые в методической части, достаточно провести иглой по волоскам, и они легко опадают, прилипая к игле за счет электростатического заряда.

Рис. 5. Слева: «обритая» голова муравья на двух натянутых волосках — препарат готов к испытаниям на теплоизлучение и светорассеяние. Справа: спектрометр. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

В эксперименте действительно подтвердилось, что рассеяние света видимого и коротковолнового инфракрасного диапазона на 25% сильнее у муравьев с волосками, чем у безволосых. Но еще интереснее, что удалось показать и увеличение теплоотдачи в средневолновом инфракрасном диапазоне. Подсчитано с использованием экспериментальных данных, что теплоэмиссия волосатой поверхности примерно на 15% сильнее, чем безволосой (рис. 6). В результате время, которое нужно тратить на «охлаждающий» отдых, уменьшается. Рис. 6. Рассеяние света поверхностью тела, покрытой волосками, выше, чем безволосой поверхностью

Рис. 6. Рассеяние света поверхностью тела, покрытой волосками, выше, чем безволосой поверхностью. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Эти теоретические выкладки, подкрепленные экспериментами, прекрасно объясняют, почему у бегунков спинка волосатая, а брюшко голое. Брюшко не отражает свет, падающий сверху, зато оно должно наиболее эффективно отдавать тепло в окружающую среду при условии усиленного подогрева снизу, от раскаленного песка. Подогрев снизу — это средневолновое инфракрасное излучение. Такое излучение будет отражаться гладкой хитиновой поверхностью, а призматические волоски, напротив, усилят поглощение волн этого спектра. Так что снизу пусть уж поверхность будет гладкой, безволосой, чтобы всё оказалось отлажено наилучшим образом.

Данные исследования позволили ученым выдвинуть предположение, что волокна с такими свойствами, как у волосков серебряных бегунков, могут быть использованы для разработки теплоизолирующих и самоохлаждающихся материалов различного назначения.

Источник: Norman Nan Shi, Cheng-Chia Tsai, Fernando Camino, Gary D. Bernard, Nanfang Yu, Rudiger Wehner. Keeping cool: Enhanced optical reflection and heat dissipation in silver ants // Science. Published online 18 June 2015.

Автор: Елена Наймарк