哥倫比亞工程公司和哈佛大學(xué)的一項(xiàng)新研究確定了適當(dāng)?shù)臏囟葘?duì)于蝴蝶翅膀正常運(yùn)作至關(guān)重要的生理重要性，并發(fā)現(xiàn)昆蟲通過(guò)結(jié)構(gòu)和行為適應(yīng)都能很好地調(diào)節(jié)翅膀溫度。

與普遍認(rèn)為蝶形翅膀主要由無(wú)生命的膜組成的觀點(diǎn)相反，這項(xiàng)新研究表明，蝶形翅膀包含一個(gè)活細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，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(dāng)蝴蝶停止飛行時(shí)，機(jī)翼可能會(huì)在陽(yáng)光下迅速過(guò)熱，并且在寒冷的環(huán)境中飛行時(shí)它們可能會(huì)降溫。這項(xiàng)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(jié)構(gòu)和行為方面的意義。

“蝴蝶的翅膀?qū)嶋H上是矢量光檢測(cè)板，蝴蝶可以通過(guò)它精確地確定陽(yáng)光的強(qiáng)度和方向，并且不需要眼睛就可以迅速地做到這一點(diǎn)，”哥倫比亞工程學(xué)院應(yīng)用物理副教授Nanfang Yu說(shuō)道。研究。

該小組由哈佛大學(xué)比較動(dòng)物學(xué)博物館的有機(jī)和進(jìn)化生物學(xué)系Hessel生物學(xué)教授Naomi E. Pierce以及鱗翅目的策展人Naomi E. Pierce共同領(lǐng)導(dǎo)，利用他們?cè)谏飳W(xué)和光學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)重要發(fā)現(xiàn)的數(shù)量。通過(guò)仔細(xì)地去除機(jī)翼的鱗片，使它們能夠窺視機(jī)翼的內(nèi)部，并染色機(jī)翼內(nèi)發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)元，他們發(fā)現(xiàn)蝴蝶機(jī)翼上裝有機(jī)械和溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。在成年后的整個(gè)生命周期中，機(jī)翼中的活組織都由循環(huán)系統(tǒng)和氣管系統(tǒng)積極供應(yīng)-對(duì)于彩繪淑女蝴蝶來(lái)說(shuō)，要持續(xù)三周以上。

他們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“翼心”，每分鐘跳動(dòng)幾十次，以促進(jìn)昆蟲血液或淋巴液通過(guò)某些蝴蝶翅膀上的“香氣墊”或雄激素器官的定向流動(dòng)。皮爾斯說(shuō)：“大多數(shù)對(duì)蝴蝶翅膀的研究都集中在用于發(fā)信號(hào)的顏色上，”皮爾斯說(shuō)，“這項(xiàng)工作表明我們應(yīng)該將蝴蝶翅膀重新概念化為動(dòng)態(tài)的，活的結(jié)構(gòu)，而不是相對(duì)惰性的膜。觀察到的模式通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)翼活動(dòng)部分的溫度，機(jī)翼上的翼部也可能以重要方式成形。”

Yu的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種基于紅外高光譜成像的非侵入性技術(shù)，圖像的每個(gè)像素代表一個(gè)紅外光譜，這使他們首次能夠精確測(cè)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?yàn)楹某岚虮《?xì)膩。”“這種成像技術(shù)使我們能夠檢查使機(jī)翼的可見(jiàn)外觀與熱力學(xué)特性脫鉤的物理適應(yīng)性，” Yu補(bǔ)充說(shuō)。”

該小組在蝴蝶翅膀上進(jìn)行的熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)充分證明了這種區(qū)域性和選擇性增強(qiáng)熱輻射的效果。Yu的實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了模仿蝴蝶自然環(huán)境的實(shí)驗(yàn)條件，并使研究人員能夠量化幾種環(huán)境因素對(duì)機(jī)翼溫度的相對(duì)貢獻(xiàn)。這些因素包括太陽(yáng)光的強(qiáng)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(jī)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(jiàn)顏色和圖案多種多樣，但包含活細(xì)胞(翅膀靜脈和香氣墊)的蝴蝶翅膀區(qū)域始終比“無(wú)生命”區(qū)域涼爽由于增強(qiáng)的輻射冷卻，機(jī)翼的某些區(qū)域。這項(xiàng)研究的主要作者，于研究組的博士生蔡成嘉(Cheng-Chia Tsai)說(shuō)：“在機(jī)翼秤上發(fā)現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)可以激發(fā)輻射冷卻材料的設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)過(guò)熱的條件。”

研究人員對(duì)七個(gè)公認(rèn)的蝴蝶家族中的六個(gè)蝴蝶進(jìn)行了一系列的行為研究，以研究對(duì)機(jī)翼上模擬陽(yáng)光的反應(yīng)。研究小組發(fā)現(xiàn)，昆蟲利用它們的翅膀來(lái)感知陽(yáng)光的方向和強(qiáng)度(陽(yáng)光是溫暖或過(guò)熱的主要來(lái)源)，并通過(guò)特殊的行為做出反應(yīng)，以防止翅膀過(guò)熱或過(guò)冷。例如，所研究的所有物種都表現(xiàn)出相對(duì)恒定的“觸發(fā)”溫度，大約為40oC(104oF)，在幾秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以避免機(jī)翼因照射在其上的小光點(diǎn)而過(guò)熱。

Yu和Pierce現(xiàn)在正在哈佛大學(xué)比較動(dòng)物學(xué)博物館中對(duì)鱗翅目動(dòng)物的收藏進(jìn)行大規(guī)模的系統(tǒng)光學(xué)研究。其中包括整個(gè)系統(tǒng)樹中成千上萬(wàn)種蝴蝶物種的數(shù)千個(gè)標(biāo)本，每個(gè)標(biāo)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(guó)博物學(xué)家和探險(xiǎn)家亨利·沃爾特·貝茨(Henry Walter Bates)在他的《亞馬遜河上的博物學(xué)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(hào)一樣，研究小組希望對(duì)機(jī)翼的顏色和樣式有一個(gè)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(shuō)：“每只蝴蝶的機(jī)翼都裝有數(shù)十個(gè)機(jī)械傳感器，它們提供實(shí)時(shí)反饋以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的飛行模式。”“這是設(shè)計(jì)飛行器機(jī)翼的靈感：也許機(jī)翼設(shè)計(jì)不應(yīng)僅基于飛行動(dòng)力學(xué)的考慮，而設(shè)計(jì)為集成感官-機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)翼可以使飛行器在復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)條件下表現(xiàn)更好。”