Czego golenie mrówki może nas nauczyć o izolacji

Dwa skrajne przykłady takich zwierząt to srebrna mrówka saharyjska i niedźwiedź polarny (FOT. 1–2). Oba gatunki wykazują niesamowite zdolności adaptacyjne, które pozwalają im przetrwać w bardzo skrajnych temperaturach.

Srebrna mrówka saharyjska (Cataglyphis Bombycina)

Srebrna mrówka saharyjska żyje, jak sama nazwa wskazuje, na Saharze. Przez większość czasu przebywa pod ziemią, gdzie jest chłodniej, i wychodzi na powierzchnię w poszukiwaniu pożywienia tylko w najgorętszej części dnia, kiedy drapieżniki, ze względu na temperatury nie do zniesienia, dochodzące do 50°C, kryją się przed słońcem. Dzięki kilku bardzo specyficznym zdolnościom adaptacyjnym mrówka może przetrwać takie temperatury, choć tylko przez około 10 min. Ma ona stosunkowo długie nogi, które utrzymują jej ciało jak najdalej od gorącego piasku, a także pozwalają jej poruszać się po ziemi z niezwykłą prędkością w porównaniu do swoich rozmiarów. Gdyby była wielkości człowieka, mogłaby biec z prędkością 700 km/godz.!

Podobnie jak inni mieszkańcy pustyni, mrówka produkuje również specjalny rodzaj białka, które chroni przed nagłym szokiem termicznym. Jednak w przeciwieństwie do innych zwierząt, srebrna mrówka produkuje to białko jeszcze przed opuszczeniem gniazda.

Jednak najciekawszym i najbardziej zastanawiającym elementem ciała mrówki saharyjskiej jest jej srebrzyste futerko – unikalna cecha w całym świecie mrówek. Dziwne włoski są na przednich częściach jej ciała i na grzbiecie, ale nie na spodzie odwłoka. To oczywiście budzi kilka gorących pytań, bo komu potrzebne jest futro na środku pustyni?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy z Belgii [1] postanowili ogolić mrówkę i zobaczyć, co się stanie. Typowa srebrna mrówka saharyjska ma 8 mm długości i ze zrozumiałych względów nie bardzo lubi być golona, więc nie było to łatwe zadanie. Mrówki zostały na krótko znieczulone za pomocą dwutlenku węgla i delikatnie przypięte do stolika pod lupą. Potem była to kwestia godzinnego, bardzo delikatnego i precyzyjnego golenia przez badacza o pewnej ręce i z ogromną cierpliwością.

Mrówki w swoich futerkach oraz te ogolone były następnie wystawione na działanie promieniowania cieplnego i temperatury ich ciał były rejestrowane. Okazało się, że osobniki w futerkach nagrzewały się wolniej i pozostawały o 3–6°C chłodniejsze niż te, które były ogolone (RYS. 1).

Fascynujące! Jak to jest możliwe? Aby się o tym przekonać, naukowcy zmierzyli współczynnik odbicia ogolonych i nieogolonych mrówczych grzbietów w zakresie promieniowania UV, światła widzialnego i średniej podczerwieni. Badania wykazały, że włoski mrówki działały jak bardzo silne lustro odbijające promieniowanie słoneczne o krótkiej długości fali. Ale jednocześnie długofalowe promieniowanie cieplne emitowane przez własne ciało mrówki przechodziło przez futerko bez problemów. Futerko zatrzymywało energię słoneczną, która w przeciwnym razie bardzo szybko zabiłaby mrówkę, ale przepuszczało ciepło wydzielane przez ciało mrówki, co ułatwiało jej chłodzenie.

Okazało się, że tajemnica saharyjskiej mrówki leży w kształcie jej włosków. Włoski mają przekrój trójkątny (FOT. 3–4), w przeciwieństwie do większości włosów występujących w naturze, które zazwyczaj mają okrągły przekrój. Dodatkowo dwa górne boki są pofałdowane, natomiast spód jest płaski. Fałdki na włosach mają średnio 66 nm głębokości i są oddalone od siebie o ok. 204 nm.

Gdy światło uderza w pofałdowany wierzch włosów, jest ono rozpraszane w procesie znanym jako rozpraszanie Mie, które zachodzi, gdy promieniowanie trafia na cząsteczki, puste przestrzenie lub grzbiety o rozmiarach zbliżonych do długości fali.

Futerko mrówki rozprasza promieniowanie słoneczne podobnie jak chmura. Ale nawet, jeśli jakiś zagubiony promyk dostanie się do wnętrza włosa, to i tak ulega on całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, gdyż wtedy trafia na spodnią stronę włosa, która jest zupełnie płaska i odbija promieniowanie jak lustro. Dodatkowo włoski są lekko uniesione nad grzbietem mrówki. Ta szczelina powietrzna pomiędzy powłoką włosów a ciałem mrówki dodatkowo wzmacnia odbicie ciepła słonecznego o krótkiej długości fali.

Z drugiej strony długofalowe promieniowanie podczerwone gorącego piasku jest najlepiej odbijane przez nieowłosiony spód mrówki. To wyjaśnia dlaczego brzuch mrówki jest goły.

Futerko srebrnej mrówki saharyjskiej jest genialnym przykładem rozwiązania wynalezionego przez naturę w drodze ewolucji, naturalnej selekcji i adaptacji żyjących organizmów do zewnętrzych warunków. Rozwiązanie jest proste, ale bardzo skuteczne. Wykorzystuje tylko jeden materiał (chitynę), tylko jeden kształt i dwa fizyczne zjawiska: rozpraszanie Mie i całkowite wewnętrzne odbicie. Pozwala to jednak tej mrówce na prowadzenie genialnej gospodarki cieplnej i w efekcie na życie w ekstremalnie gorącym klimacie.

Niedźwiedź Polarny (Ursus Maritimus)

Drugim skrajnym przykładem przystosowania natury do zewnętrznych warunków jest niedźwiedź polarny. Żyje on w przeciwnych warunkach niż srebrna mrówka saharyjska, ponieważ musi znosić temperatury do –50°C. W takich temperaturach zarówno ludzie, jak i większość zwierząt bardzo szybko traci ciepło i umiera. Jeśli jednak chcielibyśmy zrobić niedźwiedziowi polarnemu zdjęcie za pomocą kamery termowizyjnej, to będzie nam trudno go dostrzec. (FOT. 5).

Niedźwiedź polarny jest bowiem prawie niewidoczny w podczerwieni, co oznacza, że nie emituje, więc także nie traci ciepła. Oczywiste, jeśli ma się takie grube futro. Ale to tylko część odpowiedzi, ponieważ jeśli zagłębimy się w to futro, to odkryjemy, że sierść niedźwiedzia polarnego jest nawet bardziej pomysłowa niż włoski mrówki saharyjskiej. Składa się ona bowiem z dwóch rodzajów włosów (FOT. 6).

Tak zwane włosy okrywowe są szorstkie i mają długość około 5–15 cm [4]. Zbudowane są one z alfa-keratyny i mają grubość 80–250 μm, czyli około trzy razy większą niż przeciętny ludzki włos. Jednak pod silnym mikroskopem widać, że ich struktura jest znacznie bardziej skomplikowana (FOT. 7–8). Nie są one pełne, lecz rurkowate i mają hierarchiczną porowatość. Zewnętrzne, bardziej masywne rurki, zbudowane są z włókien keratynowych tworzących warstwy o grubości 80–250 nm. Pomiędzy włóknami znajdują się rurkowate pory również o szerokości ok. 200 nm. Kilka porów o średnicy 1–5 μm łączy powierzchnię włosa z jego niemal pustym rdzeniem. Rdzeń jest wypełniony kulistymi porami o stosunkowo większych średnicach, rzędu 3–30 μm.

Porowatość włosów mieści się w bardzo specyficznym zakresie od ok. 200 nm do ok. 30 μm. Zakres promieniowania słonecznego również zaczyna się od około 200 nm, a 30 μm to najdłuższa długość fali promieniowania emitowanego przez zwierzęta ciepłokrwiste. Zakresy są dokładnie takie same! Zbieg okoliczności? Na pewno nie – nie w naturze!

Keratyna, z której zbudowane są włosy, jest całkowicie przezroczysta w promieniowaniu ultrafioletowym, widzialnym i bliskiej podczerwieni, czyli w całym zakresie promieniowania cieplnego przychodzącego od słońca. Włosy białego niedźwiedzia praktycznie działają jak światłowody, które wychwytują światło słoneczne i transportują je w kierunku skóry niedźwiedzia (FOT. 9).

W tym momencie jest następna niespodzianka. Biały niedźwiedź jest w rzeczywistości czarny. Jego czarna skóra bardzo skutecznie pochłania energię słoneczną przetransmitowaną z zewnątrz przez długie włosy okrywowe (FOT. 10).

Jeszcze bardziej zdumiewający jest fakt, że transmisja światła przez włosy niedźwiedzia polarnego odbywa się dzięki rozpraszaniu Mie – temu samemu naturalnemu zjawisku, które jest wykorzystywane przez srebrną mrówkę saharyjską.

Ale to jeszcze nie wszystkie sztuczki, jakimi dysponuje niedźwiedź polarny. Jego włosy okrywowe absorbują także promieniowane ultrafioletowe i przekształcają je w niebieskie światło widzialne, które również jest odprowadzane do czarnej skóry i absorbowane jako ciepło.

Konstrukcja futra niedźwiedzia polarnego jest idealnie zaprogramowana, aby schwytać każdy, nawet najmniejszy skrawek promieniowania cieplnego z zewnątrz i wykorzystać go do nagrzania ciała zwierzęcia. Można śmiało powiedzieć, że niedźwiedź polarny może się opalać w swoim futrze nawet w środku zimy.

Arktyczna zima nie jest taka ciemna jak myślimy. Nawet w jej środku jest tam pełno rozproszonego światła. Poza tym futro niedźwiedzia ma w sobie wbudowany coś w rodzaju balsamu do opalania, przydatnego podczas polarnego lata.

Inną cechą jego futra jest to, że zatrzymuje ono także bardzo skutecznie ciepło promieniowane przez ciało zwierzęcia. Dzieje się tak dzięki gęstej warstwie (tzw. podszerstka) krótkich i gęstych włosów, które znajdują się pod włosami ochronnymi (FOT. 6). Chociaż krótsze i bardziej miękkie mają one tę samą rurkowatą strukturę jak włosy okrywowe. Nie tylko zatrzymują one powietrze ogrzane ciepłem ciała niedźwiedzia i chronią go tym samym przed utratą ciepła przez konwekcję, ale również mają strukturę, która odbija z powrotem do skóry specyficzne promieniowanie cieplne, ale tym razem o długości fali 3–30 μm, które jest emitowane przez ciało zwierzęcia. Redukują one również utratę ciepła przez kondukcję, dzięki piankowatej strukturze rdzenia tych włosów.

Efekt jest naprawdę niesamowity. Temperatura wewnątrz sierści niedźwiedzia polarnego utrzymuje się na stałym poziomie 37°C do około 6 cm od jego skóry. Po przekroczeniu tego punktu temperatura spada do poziomu temperatury otoczenia. Dlatego też niedźwiedź polarny nie jest widoczny w podczerwieni.

Kolejną zaletą tego doskonałego rozwiązania ocieplającego jest to, że pozwala ono niedźwiedziowi polarnemu nawigować. Nawet w bardzo pochmurny dzień niedźwiedź potrafi wyczuć, gdzie jest Słońce lub otwarta wodą (która jest znacznie cieplejsza niż lód i śnieg) lub ciepłokrwiste foki. Wyrafinowana konstrukcja futra niedźwiedzia polarnego nie tylko zapewnia zwierzęciu ciepło, ale także pomaga mu w orientowaniu się w terenie i znajdowaniu pożywienia.

Jak z tego widać, sierść niedźwiedzia polarnego jest kolejnym prostym, ale genialnym rozwiązaniem, udoskonalonym przez dobór naturalny w ciągu niezliczonych pokoleń, które pozwala temu stworzeniu żyć w bardzo ekstremalnych warunkach klimatycznych.

Inspiracja dla przemysłu izolacji

Dwa omówione powyżej przykłady doskonale ilustrują niezwykle wyrafinowane systemy kontrolowania przepływu ciepła stworzone przez naturę. Niestety, nawet najlepsze rozwiązania termoizolacyjne zaprojektowane do tej pory przez człowieka wyglądają w porównaniu z nimi prymitywnie. W naszej obronie możemy jednak powiedzieć, że my nie mieliśmy milionów lat na badania rozwojowe, a poza tym szybko się uczymy. Srebrna mrówka i biały niedźwiedź pokazują nam kilka interesujących sposobów, jak zaprojektować nasze kolejne i lepsze systemy izolacyjne.

Te dwa naturalne rozwiązania dowodzą, że sam materiał nie jest tak ważny, jak jego fizyczna struktura. Oba wykorzystują bardzo specyficzne kształty, które są w stanie kierować ciepło tylko w jedną stronę: w kierunku do lub od ciała zwierzęcia. Oba wykorzystują dobrze znane zjawiska fizyczne, które nie są obecnie brane pod uwagę przy projektowaniu przemysłowych systemów izolacyjnych. Pokazują także, że powinniśmy brać pod uwagę długość fali promieniowania, z którym mamy do czynienia.

Czy chcemy chronić nasze budynki przed zbyt dużym napływem ciepła słonecznego, czy przed utratą ciepła ze środka budynku? A może oba, ale w różnym czasie?

Być może chcemy również produkować produkty termoizolacyjne, które będą zbierać energię słoneczną i kierować ją tam, gdzie będzie ona pożyteczna. Takie podejścia inspirowane naturą mają dużą szansę doprowadzić do znacznego podniesienia efektywności izolacji termicznych, przy jednoczesnym zachowaniu korzyści płynących z zastosowania prostych i tanich materiałów.

Mała srebrna mrówka i potężny niedźwiedź dostarczają zarówno inspiracji, jak i materiału do przemyśleń dla globalnego sektora izolacji. Oba zwierzęta pokazują, że jest jeszcze wiele sposobów, aby ulepszyć nasze izolacje i że mamy jeszcze wiele możliwości, a także pracy do zrobienia.

Literatura

1. Q. Willot, P. Simonis, J.-P. Vigneron, S. Aron, PLoS ONE 11 (4), 2016, doi:10.1371/journal.pone.0152325.
2. Science 349 (6245), s. 298–301.
3. J.A. Preciado, B. Rubinsky, D. Otten, B. Nelson, M.C. Martin, R. Greif, „Advances in Bioengineering, ASME 2002 International Mechanical Engineering Congress & Exposition”, 1 January 2002.
4. S. Metwally et al., Acta Biomaterialia 91 (2019), s. 270–283.
5. Thermal Science, 2016, Vol. 20, No. 3, s. 785–788.
6. „Journal of Advanced Biotechnology & Bioengineering”, 2015, Vol. 3, No. 2.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!