Un nuevo estudio de Columbia Engineering y Harvard identificó la importancia fisiológica crítica de las temperaturas adecuadas para que las alas de las mariposas funcionen correctamente y descubrió que los insectos regulan exquisitamente la temperatura de sus alas a través de adaptaciones estructurales y de comportamiento.
Contrariamente a la creencia común de que las alas de mariposa consisten principalmente en membranas sin vida, el nuevo estudio demostró que contienen una red de células vivas cuya función requiere un rango limitado de temperaturas para un rendimiento óptimo. Dada su pequeña capacidad térmica, las alas pueden sobrecalentarse rápidamente enel sol cuando las mariposas dejan de volar y pueden enfriarse demasiado durante el vuelo en un ambiente frío. El estudio, publicado hoy en línea por Comunicaciones de la naturaleza , es el primero en explorar las implicaciones de la temperatura en la configuración de la estructura del ala y el comportamiento de las mariposas.
"Las alas de mariposa son esencialmente paneles de detección de luz vectorial mediante los cuales las mariposas pueden determinar con precisión la intensidad y la dirección de la luz solar, y lo hacen rápidamente sin usar sus ojos", dice Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada en Columbia Engineering y co-PI del estudio.
El equipo, que fue codirigido por Naomi E. Pierce, profesora Hessel de biología en el departamento de biología orgánica y evolutiva, y curadora de lepidópteros en el Museo de Zoología Comparativa de Harvard, utilizó su experiencia en biología y óptica parahicieron una serie de descubrimientos importantes. Al quitar con cuidado las escamas de las alas para permitirles observar el interior de las alas y teñir las neuronas que se encuentran dentro del ala, descubrieron que las alas de las mariposas están cargadas con una red de sensores mecánicos y de temperatura.Los tejidos vivos de las alas son suministrados activamente por los sistemas circulatorio y traqueal durante toda la vida adulta; en el caso de las mariposas pintadas, durante más de tres semanas.
También descubrieron un "corazón de ala" que late unas pocas docenas de veces por minuto para facilitar el flujo direccional de sangre de insectos o hemolinfa a través de una "almohadilla de olor" o un órgano androconial ubicado en las alas de algunas especies de mariposas.de la investigación sobre alas de mariposa se ha centrado en los colores utilizados en la señalización entre individuos ", dice Pierce." Este trabajo muestra que debemos reconceptualizar el ala de mariposa como una estructura dinámica y viva en lugar de como una membrana relativamente inerte. Patrones observados en elel ala también puede tener una forma importante debido a la necesidad de modular la temperatura de las partes vivas del ala ".
El laboratorio de Yu diseñó una técnica no invasiva basada en imágenes hiperespectrales infrarrojas, con cada píxel de una imagen que representa un espectro infrarrojo, que les permitió realizar, por primera vez, mediciones precisas de las distribuciones de temperatura sobre las alas de las mariposas "."Ha sido difícil de hacer hasta ahora", señala Pierce, "debido a la delgadez y delicadeza de las alas de las mariposas". "Esta técnica de imagen nos permite examinar las adaptaciones físicas que desacoplan la apariencia visible del ala de sus propiedades termodinámicas", agrega Yu.Descubrimos que nanoestructuras de diversas escalas y grosores de cutícula no uniformes crean una distribución heterogénea de enfriamiento radiativo disipación de calor a través de la radiación térmica que reduce selectivamente la temperatura de las estructuras vivas como las venas de las alas y las almohadillas aromáticas ".
El efecto de esta mejora regional y selectiva de la radiación térmica se demostró ampliamente en los experimentos termodinámicos del equipo en alas de mariposa. Las condiciones experimentales que imitan el entorno natural de las mariposas se crearon en el laboratorio de Yu y permitieron a los investigadores cuantificar las contribuciones relativas devarios factores ambientales a la temperatura del ala. Estos incluyeron la intensidad de la luz solar, la temperatura del ambiente terrestre y la "frialdad" del cielo, que puede servir como un disipador de calor eficiente de la radiación térmica de las alas calientes. El equipo descubrió queen todas las condiciones ambientales simuladas, a pesar de los diversos colores y patrones visibles, las áreas de las alas de las mariposas que contienen células vivas venas de las alas y almohadillas aromáticas son siempre más frías que las regiones "sin vida" del ala debido al enfriamiento radiativo mejorado ". Las nanoestructurasque se encuentran en las escamas de las alas podrían inspirar el diseño de materiales de enfriamiento radiativo para hacer frente a la excesiva temperatura", dice Cheng-Chia Tsai, un estudiante de doctorado en el grupo de Yu que fue el autor principal del estudio.
Los investigadores realizaron una serie de estudios de comportamiento de mariposas vivas de seis de las siete familias de mariposas reconocidas, para investigar las respuestas a la luz solar simulada aplicada a las alas. El equipo descubrió que los insectos usan sus alas para detectar la dirección y la intensidad de la luz solar- la principal fuente de calor o sobrecalentamiento - y responder con comportamientos especializados para evitar el sobrecalentamiento o el sobreenfriamiento de sus alas. Por ejemplo, todas las especies estudiadas exhibieron una temperatura "gatillo" relativamente constante de aproximadamente 40oC 104oF, girando dentro de ununos segundos para evitar el sobrecalentamiento de las alas de un pequeño punto de luz que brilló sobre ellas.
Yu y Pierce están llevando a cabo un estudio óptico sistemático a gran escala de las colecciones de lepidópteros en el Museo de Zoología Comparativa de Harvard. Estos incluyen miles de especímenes individuales de cientos de especies de mariposas en todo el árbol filogenético, cada espécimen con datos de imágenes hiperespectrales completos.tomado del ultravioleta al infrarrojo medio. En 1863, Henry Walter Bates, un naturalista y explorador inglés, escribió sobre las alas de las mariposas en su libro El naturalista en el río Amazonas: "Sobre estas membranas expandidas, la naturaleza escribe, como en una tableta,la historia de las modificaciones de las especies ... "Al igual que descifrar símbolos enigmáticos en una tableta, el equipo espera obtener una comprensión completa de la coloración y el patrón de las alas, que son el resultado de muchos y a menudo conflictivos factores biológicos y físicos: selección sexual, coloración de advertencia, mimetismo, camuflaje y termorregulación.
"Cada ala de una mariposa está equipada con unas pocas docenas de sensores mecánicos que proporcionan retroalimentación en tiempo real para permitir patrones de vuelo complejos", dice Yu. "Esta es una inspiración para diseñar las alas de las máquinas voladoras: tal vez el diseño de las alas no deberíabasarse únicamente en consideraciones de dinámica de vuelo, y las alas diseñadas como un sistema mecánico sensorial integrado podrían permitir que las máquinas voladoras funcionen mejor en condiciones aerodinámicas complejas ".
VIDEO: http://www.youtube.com/watch?v=_J-uXQ6D8vQ&feature=youtu.be
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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