哥倫比亞工程公司和哈佛大學的一項新研究確定了適當?shù)臏囟葘τ诤岚蛘＿\作至關重要的生理重要性，并發(fā)現(xiàn)昆蟲通過結構和行為適應都能很好地調節(jié)翅膀溫度。

與普遍認為蝶形翅膀主要由無生命的膜組成的觀點相反，這項新研究表明，蝶形翅膀包含一個活細胞網(wǎng)絡，其功能需要限制溫度范圍才能獲得最佳性能。由于它們的熱容量小，當蝴蝶停止飛行時，機翼可能會在陽光下迅速過熱，并且在寒冷的環(huán)境中飛行時它們可能會降溫。這項由《自然通訊》在線發(fā)表的研究首次探索了溫度在塑造蝴蝶的翅膀結構和行為方面的意義。

“蝴蝶的翅膀實際上是矢量光檢測板，蝴蝶可以通過它精確地確定陽光的強度和方向，并且不需要眼睛就可以迅速地做到這一點，”哥倫比亞工程學院應用物理副教授Nanfang Yu說道。研究。

該小組由哈佛大學比較動物學博物館的有機和進化生物學系Hessel生物學教授Naomi E. Pierce以及鱗翅目的策展人Naomi E. Pierce共同領導，利用他們在生物學和光學方面的專業(yè)知識重要發(fā)現(xiàn)的數(shù)量。通過仔細地去除機翼的鱗片，使它們能夠窺視機翼的內部，并染色機翼內發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)元，他們發(fā)現(xiàn)蝴蝶機翼上裝有機械和溫度傳感器網(wǎng)絡。在成年后的整個生命周期中，機翼中的活組織都由循環(huán)系統(tǒng)和氣管系統(tǒng)積極供應-對于彩繪淑女蝴蝶來說，要持續(xù)三周以上。

他們還發(fā)現(xiàn)了一個“翼心”，每分鐘跳動幾十次，以促進昆蟲血液或淋巴液通過某些蝴蝶翅膀上的“香氣墊”或雄激素器官的定向流動。皮爾斯說：“大多數(shù)對蝴蝶翅膀的研究都集中在用于發(fā)信號的顏色上，”皮爾斯說，“這項工作表明我們應該將蝴蝶翅膀重新概念化為動態(tài)的，活的結構，而不是相對惰性的膜。觀察到的模式通過調節(jié)機翼活動部分的溫度，機翼上的翼部也可能以重要方式成形。”

Yu的實驗室設計了一種基于紅外高光譜成像的非侵入性技術，圖像的每個像素代表一個紅外光譜，這使他們首次能夠精確測量蝴蝶翅膀上的溫度分布。皮爾斯指出：“到現(xiàn)在為止，這一直很困難，因為蝴蝶的翅膀薄而細膩。”“這種成像技術使我們能夠檢查使機翼的可見外觀與熱力學特性脫鉤的物理適應性，” Yu補充說。”

該小組在蝴蝶翅膀上進行的熱力學實驗充分證明了這種區(qū)域性和選擇性增強熱輻射的效果。Yu的實驗室創(chuàng)造了模仿蝴蝶自然環(huán)境的實驗條件，并使研究人員能夠量化幾種環(huán)境因素對機翼溫度的相對貢獻。這些因素包括太陽光的強度，地球環(huán)境的溫度以及天空的“寒冷”，它們可以用作從受熱機翼輻射熱的有效散熱器。研究小組發(fā)現(xiàn)，在所有模擬環(huán)境條件下，盡管可見顏色和圖案多種多樣，但包含活細胞(翅膀靜脈和香氣墊)的蝴蝶翅膀區(qū)域始終比“無生命”區(qū)域涼爽由于增強的輻射冷卻，機翼的某些區(qū)域。這項研究的主要作者，于研究組的博士生蔡成嘉(Cheng-Chia Tsai)說：“在機翼秤上發(fā)現(xiàn)的納米結構可以激發(fā)輻射冷卻材料的設計，以應對過熱的條件。”

研究人員對七個公認的蝴蝶家族中的六個蝴蝶進行了一系列的行為研究，以研究對機翼上模擬陽光的反應。研究小組發(fā)現(xiàn)，昆蟲利用它們的翅膀來感知陽光的方向和強度(陽光是溫暖或過熱的主要來源)，并通過特殊的行為做出反應，以防止翅膀過熱或過冷。例如，所研究的所有物種都表現(xiàn)出相對恒定的“觸發(fā)”溫度，大約為40oC(104oF)，在幾秒鐘內轉動，以避免機翼因照射在其上的小光點而過熱。

Yu和Pierce現(xiàn)在正在哈佛大學比較動物學博物館中對鱗翅目動物的收藏進行大規(guī)模的系統(tǒng)光學研究。其中包括整個系統(tǒng)樹中成千上萬種蝴蝶物種的數(shù)千個標本，每個標本都具有從紫外線到中紅外的完整高光譜成像數(shù)據(jù)。1863年，英國博物學家和探險家亨利·沃爾特·貝茨(Henry Walter Bates)在他的《亞馬遜河上的博物學家》一書中談到了蝴蝶的翅膀，“大自然在平板電腦上寫下了這些變種的故事，就像在平板電腦上一樣…… “就像在平板電腦上解密神秘符號一樣，研究小組希望對機翼的顏色和樣式有一個全面的了解，這是許多(而且經(jīng)常是相互矛盾的)生物和物理因素造成的：

于說：“每只蝴蝶的機翼都裝有數(shù)十個機械傳感器，它們提供實時反饋以實現(xiàn)復雜的飛行模式。”“這是設計飛行器機翼的靈感：也許機翼設計不應僅基于飛行動力學的考慮，而設計為集成感官-機械系統(tǒng)的機翼可以使飛行器在復雜的空氣動力學條件下表現(xiàn)更好。”