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撒哈拉沙漠也许是地球上最可怕的生存环境之一。干旱、炎热、剧烈的昼夜温差,诸多恶劣的因素奠定着这里的恐怖基调,死一般的沉寂似乎应该是这里唯一的旋律。然而即便在这样的地方,生命的声音依然铿锵有力。撒哈拉银蚁(Cataglyphis bombycina)是其中引人注目的佼佼者。

撒哈拉银蚁

要在世界上最热的荒漠活下去,首先得耐得住热。这些蚂蚁中的“银闪闪”们无疑将这个本事发挥到了极致——它们通常在正午阳光最强烈时觅食,那时沙漠的地表温度可能高达70℃。在躲过沙漠蜥蜴等捕食者的威胁后,撒哈拉银蚁必须争分夺秒地寻找被热死的昆虫,拖回家饱餐一顿。

这些银蚁何以做到不惧酷暑?这跟它们令人惊叹的银色“盔甲”又有没有关系?美国哥伦比亚大学应用数学与应用物理学系的助理教授虞南方,与好友苏黎世大学吕迪格·维纳(Rüdiger Wehner)教授、西雅图华盛顿大学的加里·伯纳德(Gary Bernard)教授等人决定一探究竟。“我们一直都很好奇,这些体长大概只有10毫米的撒哈拉银蚁,怎么能在这样恶劣的环境和巨大的生存压力下存活下来。”虞南方说,“在绝大多数时间内,这些蚂蚁必须让自己的体温维持在53.6℃以下。”换言之,不管环境再怎么热,撒哈拉银蚁得有办法让自己在一定时间内保持足够“冷酷”,否则就只有死路一条。

显然,这些小家伙们有这样的本领。为了破解其中奥秘,虞南方等人首先用扫描电子显微镜对银蚁进行拍摄。结果显示,在撒哈拉银蚁的背部和体侧部,也即是银蚁反射出银色光芒的区域,排列着致密而有序的毛。

这些毛有着特殊的结构:它们的横截面是三角形,贴近身体的一面平滑,而另外两个面则呈现出波纹形态。它们逐渐变细形成一个尖端,并以相同的方向覆盖在银蚁的体表。研究者随后发现,这些独特的毛发正是银蚁帅气外表与耐热内涵的来源。原来,这些毛的三角形横截面可以有效地反射来自不同入射角度的可见光和近红外光(NIR)。在入射角约为30°时,这些毛贴近身体的那个平滑面可以完全反射掉所有的入射光。“当银蚁在沙漠中快速爬行(撒哈拉银蚁的爬行速度可高达每秒0.7米)时,它们看起来就像是在沙子上流动的水银滴。”虞南方说,“银蚁的这层毛发可以有效地反射掉波长在400nm至2μm的可见光和NIR——这些波段的电磁波也正是太阳光的主要组成部分。”

此外,银蚁的毛还赋予银蚁极高的热辐射率——它们可以向外界辐射波长为6-16μm的中红外光(MIR)来散出热量。虞南方说:“物理学家用发射率来衡量物体向外辐射热量的能力。黑体具有最佳的热辐射能力,它表面的发射率为1。而在中红外波段,得益于自己的毛发,银蚁的发射率被提升到接近黑体。”

然而离开了这层毛之后,银蚁似乎也就收了神通:虞南方给银蚁做了“脱毛”后发现,银蚁保持低温的能力显著下降。“在同样的环境下,正常银蚁的体温可以比被‘脱毛’了的银蚁低5-10℃。”

这些结果发表在最新一期的《科学》(Science)杂志[1]上。虞南方指出,撒哈拉银蚁的降温手段将可能启发工业生产。现在,研究者正致力于利用便宜的原材料和工艺开发散热性能上佳的涂层。通过效法银蚁,人们也许能借助对阳光的高效反射和热辐射来为车辆、建筑、衣物和高温仪器等进行降温。

“深海鱼类的眼睛可以帮助它们在漆黑的深海中捕食,蜜蜂们可以感知紫外光,很多甲虫和蝴蝶可以运用翅膀上微观结构的变化来改变颜色,萤火虫则可以用产生的生物荧光进行交流……”虞南方说,“动物们进化出了各种各样的机制来感知和控制电磁波,它们的许多天然器官在复杂性和效率上都常常超出了我们人类设计的装置。这或许能够对仿生科技带来不小的启发。”