75摄氏度沙漠中的撒哈拉银蚁 最耐热动物

据科学日报报道，美国哥伦比亚大学工程学院应用物理学助理教授余楠方（Nanfang Yu）和瑞士苏黎世大学以及美国华盛顿大学的同事发现了撒哈拉银蚁在地球上最炙热的环境里保持凉爽的两个关键策略。余的研究小组是第一个展示这种蚂蚁会利用一种独特形状头发外衣来控制非常大范围内，从太阳光谱（可见光和近红外光）到热辐射光谱（中红外）的电磁波，以及在不同的光谱带使用不同的生理机制来实现降低低温的生理功能

据科学日报报道，美国哥伦比亚大学工程学院应用物理学助理教授余楠方（Nanfang Yu）和瑞士苏黎世大学以及美国华盛顿大学的同事发现了撒哈拉银蚁在地球上最炙热的环境里保持凉爽的两个关键策略。余的研究小组是第一个展示这种蚂蚁会利用一种独特形状头发外衣来控制非常大范围内，从太阳光谱（可见光和近红外光）到热辐射光谱（中红外）的电磁波，以及在不同的光谱带使用不同的生理机制来实现降低低温的生理功能。这项研究被发表在6月18日的期刊《自然》上。

图为撒哈拉银蚁

“这个生动的例子展示了进化是如何引发生理特性的适应性，从而完成生理学任务并保证存活，在这个例子里是指预防撒哈拉银蚁变得过热，”余说道。“虽然目前已经有很多研究调查紫外线和可见光谱里生命系统的物理光学，然而我们对红外光在这些生物里所起作用的了解非常有限。我们的研究显示人类肉眼可见的光并不意味着它在活体有机物中没有起着至关重要的作用。”

这个项目最初源于科学家们非常好奇蚂蚁引人注目的银色外套是否在保证它们在极热环境里保持凉爽中起着非常重要的作用。余的小组在意识到红外光的重要作用后发现这个问题的答案其实要广泛得多。他们有关体温调节问题存在生物学解决方法的发现或可以导致具有最优冷却特性的新型扁平光学组件的发展。

“这种仿生冷却表面将具有太阳光谱的高反射性和热能辐射光谱的高辐射效率，”余解释道。“所以这或可以产生有用的应用，例如车辆、建筑物、设备甚至衣物的冷却表面。”

撒哈拉银蚁会在中午阳光最强烈时在撒哈拉沙漠里觅食，沙漠表面温度高达70摄氏度，它们必须保证大多数时间自身体温低于热能极限，也就是53.6摄氏度。在它们大范围的觅食旅途中，蚂蚁会寻找昆虫以及其它节肢动物的尸体，后者无法忍受沙漠恶劣的热能环境。在一天中最炙热的时刻活动使得这些蚂蚁可以躲避捕食性沙漠蜥蜴。研究人员一直都很好奇这些小型昆虫（大约10毫米）是如何在这一极端炙热和压力的环境里存活下来。

利用电子显微镜检查和离子束铣，余的研究小组发现蚂蚁身体顶部和侧边都覆盖有三角形截面的独特形状的毛发，这使得它们可以以两种方式保持凉爽。这些毛发在最高太阳辐射的可见光和近红外光下是高度反射性的。这些毛发在电磁光谱红外波段是高度放射性的，它们相当于一个抗反射层，可以增强蚂蚁通过热辐射卸载多余热量的能力，这主要是通过将身体的热量释放至冷却的天空来实现。当蚂蚁暴露在晴朗的天空就可以产生这种被动冷却效应。

“为了方便理解热辐射的效应，想象一下早上你起床时感受的寒冷。在下床的那一瞬间因热辐射就丢失了一半的能量，因为你身体的温度暂时比周围环境要更高。”研究人员发现，增强的太阳光谱反射性和提高的热辐射效率将银蚁的体温有效地降低了5-10摄氏度。“这些银蚁可以操控这么广的光谱范围内的电磁波这一事实展示了昆虫看似简单的生物学器官所具备的功能有多复杂。”研究首席作者、余的博士研究生诺尔曼・石楠（Norman Nan Shi）这样说道。

余和石与瑞士苏黎世大学脑研究所的鲁迪格・魏纳（Rudiger Wehner）教授、以及美国西雅图华盛顿大学电子工程学教授盖里・伯纳德（Gary Bernard）合作进行了这一项目，他们都是昆虫生理学和生态学研究的专家。哥伦比亚大学工程小组设计和进行了所有实验性工作，包括光学和红外显微镜学和光谱学研究，热力学实验以及计算机模拟和仿真。目前他们正在研究如何将这项撒哈拉银蚁研究里所学知识应用于创造一个平的光学组件，或者称“元表面”，后者包含一个纳米光子元素的二维阵列，具有光学和热能辐射特性。

余和他的研究小组计划接下来拓展他们的研究至生活在极端环境的其它动物或有机物，试图学习这些生物面对这些极端环境条件的策略。“动物进化了不同的策略来感知和使用电磁波：深海鱼有眼睛可以帮助它们在深水里移动和捕食，蝴蝶利用翅膀里的纳米结构创造不同颜色，蜜蜂可以看见紫外线信号并作出回应，萤火虫会使用闪光通信系统，”余补充说道。“为了感知或者控制电磁波而进化的器官在复杂度和有效性方面往往超越仿真人造设备。理解和利用这种自然设计概念可以加深我们对复杂生物系统的理解，从而激发创造新型科技的灵感。”