如何给蝴蝶翅膀“量体温”？这回温度计可不好使了

在近期发表的一项研究中，来自哥伦比亚大学和哈佛大学的研究者们分享了一种普通人大概很难想到的新技术：如何给蝴蝶测量体温。确切地说，他们精确地测量了蝴蝶翅膀上各个部分的温度。

不过首先，人们怎么会想到给蝴蝶量体温呢？其实，科学家们是想要了解蝴蝶翅膀散热的秘密。

小红蛱蝶（Vanessa cardui） | Jean-Pol GRANDMONT/Wikipedia

蝴蝶翅膀也怕热

有些人可能会觉得，蝴蝶翅膀就像指甲或者羽毛一样，是由一些没有生命的组织构成的，但事实并非如此。在蝴蝶的翅膀上，也有很多充满生机的活细胞组织存在，这其中包括输送着气体与血淋巴的脉管系统，以及各种神经感受器。除此之前，在一些雄性蝴蝶的翅膀上还存在着形态各异的发香器（androconial organ），它们可以释放出信息素，用来吸引伴侣。

在对蝴蝶翅膀进行显微观察时，研究者们还发现了一种有趣的结构——他们将其称为“翼心”（wing heart）。“翼心”像泵一样收缩，以每分钟几十次的速率跳动着，输送着被称为血淋巴（hemolymph）的昆虫血液。

褐背青小灰蝶（Parrhasius malbum）翅膀中跳动的“翼心”结构 | C. Tsai et al

而所有这些活着的组织，都需要适宜的温度才能正常工作。蝴蝶们需要通过晒太阳等方式保持温暖，但蝴蝶翅膀的热容很小，如果晒过头就很容易变得过热。蝴蝶们有什么方法能保护翅膀上的活细胞不被“烤熟”吗？它们会如何为翅膀散热？这正是研究者们想要知道的。

如何给蝴蝶翅膀测温度？

要想知道这一点，首先需要知道在太阳的照射下，蝴蝶翅膀温度究竟会如何变化。但给蝴蝶“量体温”可不是那么容易的事情。

蝴蝶翅膀的热容很小，也就意味着直接接触的测量方法很容易改变它的温度，导致测量不准。那么利用红外热成像进行非接触的测量呢？蝴蝶翅膀对红外光是半透明的，普通的热成像仪也无法得出准确的结果。

在红外相机下，蝴蝶翅膀显示出美丽的图案，其中明亮的部分更擅长散发热辐射，但这张图并不能直接体现翅膀的温度 | NANFANG YU AND CHENG-CHIA TSAI

为了解决这个问题，研究者们对蝴蝶进行了红外高光谱成像，分别确定了翅膀各部分透射、反射和发射红外光的情况。这样一来，再对热成像进行分析，就能得出蝴蝶翅膀上准确的温度分布。

结果显示，蝴蝶的翅膀确实控温有方：当被模拟阳光的光线照射时，“活组织”的部分相比周围的“死组织”温度总是更低一些。

特别的散热结构

为什么会有这样的温度差异？研究人员发现，蝴蝶翅膀上存在活组织的部分有更高的的热发射率（Emissivity），也就说，它们更擅长用热辐射的方式散发热量。热发射率的差异与几丁质层的厚度以及不同类型鳞片上特殊的微观结构有关。

蝴蝶翅膀不同部位覆盖着结构不同的鳞片，这影响着局部的散热能力 | C. Tsai et al

但即使如此，蝴蝶仍可能会面对过热的情况。这时候，蝴蝶翅膀上的温度感受器会感知并过热并避开热源。研究者们发现，将一束会导致局部升温的激光照射在蝴蝶翅膀“非生命”的区域时，蝴蝶不为所动；而如果照到翅脉等活组织存在的区域，那么只要升温达到了一定幅度（“触发温度”大约在42°C左右），蝴蝶就会调整翅膀躲避光斑，甚至拍打着翅膀飞离热源。

一只翅膀局部被激光加热的被试蝴蝶（红外热成像） | C. Tsai et al

蝴蝶翅膀不仅是活的，而且还自带过热检测与散热系统。蝴蝶鳞片中帮助散热的结构，或许也可以用于设计新型的辐射冷却材料。