Nanfang Yu, profesor asistente de física aplicada en Columbia, y sus colegas de la Universidad de Zúrich y la Universidad de Washington, han descubierto dos estrategias clave que permiten a las hormigas platadas del Sahara mantenerse frescas en uno de los ambientes más calientes de la Tierra. El equipo de Yu es el primero en demostrar que las hormigas utilizan una capa de "pelos" de forma única para controlar las ondas electromagnéticas a través de una gama extremadamente amplia del espectro solar (visible y cerca del infrarrojo) con el espectro de la radiación térmica (infrarrojo medio), y que diferentes mecanismos físicos se utilizan en diferentes bandas espectrales para realizar la misma función biológica de reducción de temperatura corporal. Su investigación fue publicada el 18 de junio en la revista Science.
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| Credit: Norman Nan Shi and Nanfang Yu, Columbia Engineering |
"Este
es un claro ejemplo de cómo la evolución ha dado lugar a la adaptación
de los atributos físicos para realizar una tarea fisiológica y asegurar
la supervivencia, en este caso para evitar que las hormigas plateadas del
Sahara pasen calor", dice Yu. "Aunque
ha habido muchos estudios dentro de la óptica física de los sistemas vivos en
el rango visible del espectro ultravioleta, nuestra comprensión de la
función de la luz infrarroja en su vida es mucho menos avanzada. Nuestro
estudio muestra que la luz invisible para el ojo humano no significa necesariamente que no juega un papel crucial para otros organismos vivos ".
El proyecto fue inicialmente planteado por la hipóteis de si la capa conspicua plateada de las hormigas era importante para mantenerlas frescas bajo el calor abrasador. El equipo de Yu encontró que la respuesta a esta pregunta era mucho más amplia, una vez que se dieron cuenta de la importancia del papel de la luz infrarroja. Su descubrimiento de que de que hay una solución biológica a un problema de termorregulación podría conducir al desarrollo de nuevos componentes ópticos planos que exhiban propiedades de refrigeración óptimas.
El proyecto fue inicialmente planteado por la hipóteis de si la capa conspicua plateada de las hormigas era importante para mantenerlas frescas bajo el calor abrasador. El equipo de Yu encontró que la respuesta a esta pregunta era mucho más amplia, una vez que se dieron cuenta de la importancia del papel de la luz infrarroja. Su descubrimiento de que de que hay una solución biológica a un problema de termorregulación podría conducir al desarrollo de nuevos componentes ópticos planos que exhiban propiedades de refrigeración óptimas.
"Tales superficies de enfriamiento biológicamente inspiradas tendrán alta reflectividad al espectro solar y una alta eficiencia en el espectro de la radiación térmica", explica Yu. "Así que esto puede generar aplicaciones útiles tales como una superficie de refrigeración para vehículos, edificios, instrumentos, e incluso la ropa."
Las hormigas plateadas del Sahara (Cataglyphis bombycina) se encuentran en el sol del mediodía cuando las temperaturas
superficiales alcanzan hasta 70°C, y deben mantener su
temperatura corporal por debajo de su máximo térmico crítico de 53.6°C la mayoría del tiempo. En
sus viajes de forrajeo, las hormigas buscan cadáveres
de insectos y otros artrópodos que han sucumbido a las condiciones del
desierto térmicamente duras, las que ellas son capaces de soportar con más éxito. Ser
más activas durante el momento más caluroso del día también permite a estas hormigas evitar depredadores como lagartos del desierto.
Usando microscopía electrónica y fresado por haz de iones, el grupo de Yu descubrió que las hormigas están cubiertas en la parte superior y los lados de su cuerpo con una capa de "pelos" en forma exclusiva con secciones transversales triangulares que las mantienen frescas de dos maneras. Estos "pelos" son altamente reflectantes a la luz visible y del infrarrojo, es decir, en la región de la radiación solar máxima (las hormigas corren a una velocidad de hasta 0,7 metros por segundo y se ven como gotas de mercurio en la superficie del desierto). Los pelos son también altamente emisivo en la porción del infrarrojo medio del espectro electromagnético, donde sirven como una capa antirreflectante que mejora la capacidad de las hormigas para descargar el exceso de calor a través de la radiación térmica, que se emite desde el cuerpo caliente de las hormigas a la cielo frío. Este efecto de refrigeración pasiva trabaja bajo el pleno sol cada vez que los insectos están expuestos a la intemperie.
Usando microscopía electrónica y fresado por haz de iones, el grupo de Yu descubrió que las hormigas están cubiertas en la parte superior y los lados de su cuerpo con una capa de "pelos" en forma exclusiva con secciones transversales triangulares que las mantienen frescas de dos maneras. Estos "pelos" son altamente reflectantes a la luz visible y del infrarrojo, es decir, en la región de la radiación solar máxima (las hormigas corren a una velocidad de hasta 0,7 metros por segundo y se ven como gotas de mercurio en la superficie del desierto). Los pelos son también altamente emisivo en la porción del infrarrojo medio del espectro electromagnético, donde sirven como una capa antirreflectante que mejora la capacidad de las hormigas para descargar el exceso de calor a través de la radiación térmica, que se emite desde el cuerpo caliente de las hormigas a la cielo frío. Este efecto de refrigeración pasiva trabaja bajo el pleno sol cada vez que los insectos están expuestos a la intemperie.
"El hecho de que estas hormigas plateadas puedan manipular las ondas electromagnéticas en un amplio espectro nos muestra lo complejo que estos órganos biológicos aparentemente simples de un insecto pueden ser", señala Norman Nan Shi.
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| Credit: Norman Nan Shi and Nanfang Yu, Columbia Engineering |
Yu
y Shi colaboraron en el proyecto con Rüdiger Wehner, profesor del
Instituto de Investigaciones sobre el Cerebro de la Universidad de
Zurich, Suiza, y Gary Bernard, profesor de ingeniería eléctrica en la
Universidad de Washington, Seattle, que son reconocidos expertos en el
estudio de la fisiología de insectos y ecología. El
equipo Columbia Engineering diseñó y llevó a cabo todo el trabajo
experimental, incluyendo la microscopía óptica e infrarroja y los
experimentos de espectroscopia, experimentos termodinámicos y simulación
y modelado por computadora. Actualmente están trabajando en la adaptación de lo aprendido de ingeniería a partir del estudio de las hormigas plateadas
del Sahara para crear componentes ópticos planos, que
consisten en una matriz plana de elementos nanofotónicos y proporciona al
diseñador propiedades radiactivas ópticas y térmicas.
Yu y su equipo planean extender su investigación a otros animales y organismos que viven en ambientes extremos, tratando de aprender las estrategias de estas criaturas han desarrollado para hacer frente a las condiciones ambientales extremas.
"Los animales han generado diversas estrategias para percibir y utilizar ondas electromagnéticas: algunos peces de aguas profundas tienen ojos que les permiten maniobrar y capturar presas en aguas oscuras, las mariposas crean colores de nanoestructuras en sus alas, las abejas pueden ver y responder a las señales ultravioletas, y las luciérnagas utilizan los sistemas de comunicación con su bioluminiscencia", añade Yu. "Los órganos que evolucionaron para percibir o controlar las ondas electromagnéticas a menudo superan los dispositivos artificiales análogos sofisticados. El entendimiento, eficiencia y el aprovechamiento de los conceptos de diseño de la naturaleza profundiza nuestro conocimiento de los sistemas biológicos y nos inspira para crear nuevas tecnologías."
Yu y su equipo planean extender su investigación a otros animales y organismos que viven en ambientes extremos, tratando de aprender las estrategias de estas criaturas han desarrollado para hacer frente a las condiciones ambientales extremas.
"Los animales han generado diversas estrategias para percibir y utilizar ondas electromagnéticas: algunos peces de aguas profundas tienen ojos que les permiten maniobrar y capturar presas en aguas oscuras, las mariposas crean colores de nanoestructuras en sus alas, las abejas pueden ver y responder a las señales ultravioletas, y las luciérnagas utilizan los sistemas de comunicación con su bioluminiscencia", añade Yu. "Los órganos que evolucionaron para percibir o controlar las ondas electromagnéticas a menudo superan los dispositivos artificiales análogos sofisticados. El entendimiento, eficiencia y el aprovechamiento de los conceptos de diseño de la naturaleza profundiza nuestro conocimiento de los sistemas biológicos y nos inspira para crear nuevas tecnologías."
Atrículo original: PhysOrg
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