撒哈拉银色蚂蚁为什么会如此耐热？

图片说明：左图，觅食的撒哈拉银蚂蚁行走在正午的阳光下，看起来像一滴滴水银在沙漠表面滚动。右图，形状独特且排列密集的毛发形成了银色外观产生的视觉效果。 图片来源：Norman Nan Shi and Nanfang Yu, Columbia Engineering

Nanfang Yu是哥伦比亚大学工程学院的应用物理学助理教授，她和来自苏黎世大学（University of Zürich）及华盛顿大学（University of Washington）的同事一起，发现了撒哈拉银色蚂蚁能够在撒哈拉沙漠（地球上最热的陆地环境）保持凉爽的两个关键策略。Yu的团队首次证明，这种蚂蚁利用其形状独特的毛外套可以控制极广光谱范围的电磁波，这包括太阳光谱（可见光和近红外线光）的热辐射光谱（中红外光）。面对不同的光谱带，它们会使用不同的身体机制来实现降低体温的生物功能。2015年6月18日，他们在Science上发表了Saharan silver ants keep cool by combining enhanced optical reflection and radiative heat dissipation一文。

Yu说：“这一实例说明了进化如何触发生理特性进行调整来完成生理功能并保证生存，本研究中则是防止撒哈拉银蚂蚁因过热死亡，虽然我们已经有过很多对紫外线和可见光下的生命系统物理光学的研究，但相比之下，对红外光在生命的作用的认识要少很多。我们的研究表明，人类不可见的光并不一定意味着它对生物体没有发挥至关重要的作用。”

该项目最初的目的是为了搞清楚撒哈拉银色蚂蚁的显眼银色外套是不是它们在酷热中能保持凉爽的重要原因。Yu的研究小组最后发现，在他们意识到红外光的重要作用后，这个问题的答案变得广泛得多。发现体温调节的生物机制可能帮助开发出具有最佳冷却特性的新型扁平光学元件。

Yu解释说：“这种仿生物激发性热表面具有太阳光谱高反射率和高辐射效率，这项研究结果可能会产生一些有用的应用，例如用这一研究保持车辆、建筑物、器械甚至服装这些物件的表面冷却。”

图片说明：毛发平行在皮肤上，与皮肤间由一个小的空气间隙分离。毛发横截面为三角形，其中两面呈波纹褶皱状，另一面则是平整的面向蚂蚁身体。 图片来源：Norman Nan Shi and Nanfang Yu, Columbia Engineering

当撒哈拉银色蚂蚁正午在撒哈拉沙漠上觅食的时候，这时地表温度可达70℃，而它们必须保证体温大多数时间低于所能承受的最高温度53.6℃。在觅食之旅中，这些蚂蚁要寻找昆虫和其他节肢动物的尸体，这些小动物已屈服于极端炎热的沙漠环境，而银色蚂蚁还能继续忍受；在白天最热活跃于地表还可以让这些蚂蚁逃避沙漠蜥蜴的捕食。研究人员早有疑问，这些微小的昆虫（约10毫米）在这种极端环境下是如何生存下来的。

通过电子显微镜和离子束刻蚀技术，Yu的研究团队发现银色蚂蚁身体顶部和两侧覆盖了具有三角形横截面的独特毛发，能够以两种方式让他们降低体温，这些毛发对可见光和近红外光（也就是太阳辐射的范围）具有高反射率。当它们以每秒0.7米的速度奔跑看起来像一滴滴水银在沙漠表面滚动。它们的毛发还具有中红外电磁波谱的高辐射率，可以作为抗反射层提高蚂蚁将余热从身体向寒冷天空辐射出去的能力，这种被动的降温能力在昆虫完全暴露于晴朗日空时便发挥作用。

Yu说：“要理解热辐射的效果，可以想象一下寒冷的早上钻出被窝的感觉，因为你的皮肤温度比周围环境的暂时高得多，因此热辐射导致那一刻的能量损失一半。”

研究人员发现，太阳光谱反射率和热辐射率的增强使银色蚂蚁体温比没有毛发的情况下下降了5到10摄氏度。研究第一作者、哥伦比亚大学工程学院的在读博士Nan Shi说道： “这些蚂蚁能控制如此广泛的电磁波的事实表明这些看似简单的昆虫生物构造是多么复杂。”

图片说明：外层毛发通过增强太阳辐射反射率和热辐射率大幅降低体温。 图片来源：Norman Nan Shi and Nanfang Yu, Columbia Engineering

Yu和Shi参与的这个项目还有两位合作者，分别是来自瑞士苏黎世大学大脑研究所的Rüdiger Wehner，以及西雅图华盛顿大学的电气工程教授Gary Bernard，两人都是昆虫生理学和生态学研究领域的知名专家。哥伦比亚工程学院的团队设计并完成了所有的实验工作，包括光学和红外显微镜和光谱实验、热力学实验及计算机仿真建模。他们正在尝试应用从撒哈拉银蚂蚁学到的工程原理来发明扁平光学元件，或者说超颖表面（metasurfaces），由纳米光子元件的平面排列而成，并具有所设计的光学和热辐射特性。

Yu和团队成员计划将他们的研究延伸到生活在极端环境下的其他动物和有机生物，了解这些生物应对恶劣环境的策略。

Yu 说道：“动物通过进化出形成了不同的策略来接收和利用电磁波：深海鱼的眼睛能使它们在黑暗的水域行动和捕食，蝴蝶的翅膀通过纳米结构具有了多彩的颜色，蜜蜂能看到并回应紫外信号，而萤火虫能使用闪光通讯系统。这些能够感知或控制电磁波的进化器官常常在复杂性和工作效率上超越了相似的人造装置。研究和利用自然的设计理念，加深了我们对复杂生物系统的认识，也启发我们创造新技术。” （科学之家，译审：Y Li）

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科技部推荐的6部优秀科普书

【精读君曰】

有趣的科普书籍总能受到许多人的青睐，我国科技部也曾组织开展了2015年全国优秀科普作品推荐活动，共评选出了50部作品作为2015年全国优秀科普作品，以下是获得科技部推荐的这50部优秀科普书中的6部。

1《万物运转的秘密》

豆瓣评分9.3 37人评

作者简介： 大卫·麦考利，教育家、作家、建筑师，创作一系列充满想象力的图书，蜚声国际；曾获诸多国际大奖的殊荣，包括凯迪克金奖、波士顿环球报号角图书奖、美国建筑师协会特别奖、华盛顿知识类儿童读物奖、德国青少年文学奖及荷兰银铅笔奖，还曾两度提名国际安徒生大奖。他还是图画书大师大卫·威斯纳的老师。《时代》曾评论道：“麦考利画得比世界上任何一位钢笔墨水插画家都好。”

内容简介： 凯迪克金奖得主大卫·麦考利经典科普绘本，这本充满创意的物理世界入门书自出版以来畅销半个世纪，让看似毫不相关的事物有了绝妙的联系。可爱幽默的猛犸将带领我们进入一个迷人的物理世界，它以诙谐的方式描绘了数百种机械运转的原理，展现了物理源于生活的发展历程，从简单的起重机到高科技的网络，尽数囊括其中，文字简单易懂，语言风趣幽默，即使不具备任何科学常识的读者，也能对复杂的物理世界恍然大悟，是激发青少年物理热情的必备典藏。

推荐理由： 豆瓣读友橘子跑：本来以为买给孩子看的，翻了一下才知道，我才是那个孩子。

2《看不见的森林》

豆瓣评分9.1 346人评

作者简介： 戴维•哈斯凯尔的研究与教学工作主要涉及生物进化和动物保护，尤其是对栖息于森林里的鸟类和无脊椎动物的保护。除了发表许多科研文章外，他还发表了数篇关于科学与自然的随笔和诗歌。“牛津美国”将他列入2011年美国南部最具创意的老师。他现在是南方大学的生物教授，生物学系主任，美国南部大学联盟环保研究员。

内容简介： 这是一本森林观测笔记。 在这本书里，一位生物学家以一年的时间为主线，在每次的观测中，为我们揭开藏森林一平方米地域里的秘密。 在这本完全原创的书里，生物学家戴维以一小片森林作为整个自然界的缩影，向我们生动地展示了这片森林和居住其中的栖息者的生活状况。

推荐理由 ： 本书优美的语言使读者把阅读过程看作一次寻找大自然奥秘的盛大旅行，而作者则像导游，带领大家探索存在于我们脚下或者藏在我们后院里的奇妙世界。

3《信息简史》

豆瓣评分8.8 1177人评

作者简介： 詹姆斯•格雷克，本科毕业于哈佛学院，曾长期在《纽约时报》担任记者和编辑，并多年为《时代》周刊撰写技术专栏。1987年，他的首部作品《混沌：开创新科学》入围了美国国家图书奖和普利策奖的决赛，并成为畅销书，使得“混沌”、“蝴蝶效应”的说法家喻户晓，现已销售超过百万册。其后他又陆续出版了《费曼传：1000年才出一个的科学鬼才》、《越来越快：飞奔的时代飞奔的一切》、《牛顿传》等书，相继被翻译成了二十多种语言。

内容简介 ： 人类与信息遭遇的历史由来已久。詹姆斯•格雷克笔下的这段历史出人意料地从非洲的鼓语讲起。非洲土著部落在尚未直接跨越到移动电话之前，曾用鼓声来传递讯息，但他们是如何做到的呢？后续章节进而讲述了这段历史上几个影响深远的关键事件，包括文字的发明、罗伯特•考德里的第一本英语词典、查尔斯•巴贝奇的差分机与爱达•拜伦的程序、沙普兄弟的信号塔与摩尔斯电码。

推荐理由： 《信息简史》是一部雄心勃勃又富有洞见的图书，它以热情洋溢的笔触带领我们追溯了从非洲会“说话”的鼓到电子计算机的漫长历程，并在其中添加了大量有益的论据和事例。这是本非常难得的书，它为我们理解周围的世界提供了一个全新的框架。——乔斯琳·贝尔·伯内尔

4《星际穿越》

豆瓣评分8.7 374人评

作者简介： 基普·索恩，全球顶尖理论物理学家，当今世界研究广义相对论下天体物理学领域的领导者之一。致力于宇宙时空弯曲的研究，创建了全球知名的LIGO项目。好莱坞烧脑巨制《星际穿越》唯一科学顾问，电影科学性的最强保证。

内容简介： 最简明清晰的时间与空间理论入门读本。基普·索恩教授，以浅显易懂的语言一一破解了宇宙中的让人瞠目结舌的奇景——大爆炸、黑洞、时空弯曲、潮汐力、虫洞、引力弹弓、星际旅行等，解释了所有推动剧情的天体物理学理论，还就内容的真实性将书中的科学知识分为三种：科学事实、有根据的推测和猜想，并做了明确的标注，以帮助我们解开所有剧情设计与时空旅行之谜！

推荐理由： 黑洞、虫洞、弯曲、五维、时间旅行……这是一场科学的飨宴，更是一场关于人类命运的探寻。在基普·索恩搭建的这个物理世界中，人类虽渺小、无奈，但却不忘初心，执着追梦。最终，超体生物解救了库珀，皆大欢喜。科学的美丽与迷人就在于此，它不仅让我们洞悉宇宙的奇妙，而且还进一步拓宽了我们的思维，点燃好奇的火花，让思想“穿越”起来，并传递给下一代人。不过在现实中，人类的命运自然掌握在自己的手中，而那密码，恰在宇宙深处。——欧阳自远

5《一只萤火虫的旅行》

豆瓣评分8.2 1530人评

作者简介： 付新华，2000年至今从事萤火虫的分类、两性闪光信息交流及进化、化学防卫及生态保护研究。是我国第一个从事萤火虫研究的博士，最早在中国大陆开展萤火虫闪光通讯交流的研究。现供职于华中农业大学植物科技学院、昆虫资源利用与害虫可持续治理湖北省重点实验室。曾发现并定名雷氏萤、武汉萤、穹宇萤、泰山萤、中国萤等多种萤火虫。摄影发烧友、科普作家。

内容简介： 本书是我国第一个专门研究萤火虫的博士付新华所写的科普图文书，以一只萤火虫的口吻讲述了它们美丽而短暂的一生，介绍了萤火虫的种类、习性以及与之相关的中外文化,具有较强的可读性和欣赏性。

推荐理由： 好可爱的一本书~研究萤火虫，听起来就够浪漫、够有趣！希望将来能去泰国的安帕瓦或者是西双版纳或者是武汉，最好是去日本，亲眼看一看这“坠入人间的星宿”。——豆瓣读友

6《神奇的人体生物钟》

豆瓣评分7.5 29人评

作者简介 ： 蒂尔•伦内伯格德国慕尼黑路德维希大学的医学心理学教授，时间生物学领域的代表人物。

内容简介： 这是一本关于新兴学科“时间生物学”的大作，看似无形的人体生物钟其实对我们的心理、生理健康产生着巨大的影响，甚至决定着人们的生活是否幸福。

推荐理由： 作者伦内伯格教授的学术生涯曾跨越生物学、物理学、心理学、医学等多个领域，正是这样的经历使他可以跳出学科的限制，以综合宏观的眼光进行生物钟的研究。本书的出版吸引了科普界、大众心理学界的众多目光，欧美的众多专家、社会研究者竞相阅读。

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