I ricercatori scrutano sotto la superficie delle ali di farfalla, con la termografia

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Crediti immagine: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

I ricercatori hanno scoperto che le farfalle sono meravigliose dentro quanto lo sono fuori. In un studio pubblicato dalla Columbia Engineering e dalla Harvard University sulla rivista Nature i ricercatori hanno esaminato le proprietà termodinamiche delle ali delle farfalle, scoprendo l'importanza del raffreddamento radiativo nel sostenere in aria queste delicate strutture. Nanfang Yu, professore associato di fisica applicata alla Columbia, descrive come la termografia abbia giocato un ruolo importante nello studio.

"È il metodo meno invasivo in assoluto per misurare la temperatura", spiega Yu. In questo studio, il team ha identificato le strutture complesse di tessuto vivo nelle ali delle farfalle, che contribuiscono perfettamente alla termoregolazione. Con una termocamera come la FLIR T865, "all'inizio si vede essenzialmente lo scheletro della farfalla", spiega Yu. "È quasi come una radiografia: si vede la struttura, le nervature delle ali, la membrana... l'intera sezione trasversale del materiale delle ali". Nell'immagine termica, i colori brillanti e i motivi dell'ala di una farfalla scompaiono tutti, e ciò che si vede, invece, è la struttura sottostante dell'ala stessa.

Immagine termica di farfalle della famiglia Pieridae. Crediti immagine: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

I precedenti studi sulle ali delle farfalle sono stati limitati dalle apparecchiature disponibili per le misurazioni di temperatura, ad esempio le termocoppie. Anche le sonde più piccole sono grandi se rapportate allo spessore dell'ala di una farfalla, e l'azione di misurazione stessa può influenzare la temperatura locale. La possibilità di misurare solo punto per punto può inoltre introdurre ulteriori imprecisioni. Con la termografia, "si può misurare e mappare l'intera distribuzione di temperatura", afferma Yu. Il suo team è stato in grado di visualizzare e misurare la differenza di temperatura tra le nervature delle ali, la membrana e altre strutture, come l'androconia. Hanno scoperto che le aree delle ali delle farfalle che contengono cellule vive (nervature alari) hanno una maggiore emissività termica rispetto alle regioni "non vitali" dell'ala (la membrana).

Le strutture vive delle ali (nervature, androconia) hanno un'elevata emissività per facilitare la dissipazione di calore attraverso la radiazione termica. Crediti immagine: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

"Questa tecnica di imaging ci permette di esaminare gli adattamenti fisici che scompongono l'aspetto visibile dell'ala dalle sue proprietà termodinamiche", spiega Yu in un articolo della Columbia Engineering. "Abbiamo scoperto che le diverse nanostrutture delle scaglie e gli spessori non uniformi delle cuticole creano una distribuzione eterogenea del raffreddamento radiativo, ossia la dissipazione del calore attraverso la radiazione termica, che riduce selettivamente la temperatura delle strutture viventi, come le nervature delle ali e l'androconia".

La misurazione di temperatura delle ali delle farfalle con la termografia non è priva di ostacoli. "La sfida, nel caso dell'ala di farfalla, è che la termocamera fornisce una lettura della temperatura, ma non si può fare affidamento meramente sui dati rilevati", dice Yu. "L'ala di farfalla è semi-trasparente all'infrarosso, quindi osservando un'ala di farfalla con la termocamera, non si acquisisce solo la radiazione termica dell'ala stessa, ma anche la radiazione termica generata dallo sfondo dietro l'ala". Un fenomeno simile può essere osservato con un sottile foglio di plastica, come un sacchetto di plastica per la spesa che, proprio come un'ala di farfalla, è opaco nello spettro della luce visibile ma trasparente nella banda dell'infrarosso.

Materiali molto sottili come un sacchetto di plastica o un'ala di farfalla possono essere trasparenti nello spettro dell'infrarosso. Per ottenere una lettura temperatura reale dell'ala di una farfalla, il team di Yu ha dovuto quantificare l'emissività e la riflettanza dell'ala, e successivamente rimuovere dalle misurazioni tali fonti di calore di fondo.

Oltre a mappare la distribuzione termica delle ali delle farfalle, i ricercatori hanno anche condotto studi comportamentali attraverso osservazioni termografiche. Usando una piccola luce come fonte di calore, hanno dimostrato che le farfalle usano le ali per percepire la direzione e l'intensità della luce solare. Alla temperatura "di innesco" di circa 40 °C, tutte le specie che hanno studiato hanno cambiato direzione in pochi secondi, allontanandosi dalla fonte luminosa per evitare il surriscaldamento delle ali.

Le ali di farfalla hanno sensori meccanici che rilevano la direzione e l'intensità della luce. Qui la farfalla si muove rapidamente per evitare che la sua ala si surriscaldi. Crediti immagine: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

Non è la prima volta che Yu usa una termocamera per studiare gli insetti. "Quando sono entrato alla Columbia nel 2013, la termocamera FLIR è stata una delle prime attrezzature che ho acquistato per allestire il mio laboratorio", ricorda Yu. Anche se il suo ambito di ricerca si concentra principalmente sulla nanofotonica, Yu è particolarmente interessato all'interazione tra biologia, fotonica e fisica. I suoi amici ricercatori biologi "spesso mi pongono domande sull'evoluzione degli animali che stanno studiando... Mi piace aiutarli a risolvere questi misteri dal punto di vista della fisica e della fotonica".

In una precedente collaborazione con un collega nanobiologo, Yu ha studiato le formiche d'argento del Sahara che si muovono alla ricerca di cibo durante le giornate torride di uno degli ambienti terrestri più caldi della terra. Anche per questa ricerca, pubblicata su Science nel 2015, i ricercatori hanno utilizzato una termocamera scientifica FLIR per monitorare la temperatura corporea delle formiche. Si chiedevano come potessero degli insetti così piccoli sopravvivere in condizioni così avverse. "L'aspetto interessante qui è capire come gli insetti piccoli e leggeri, le piccole formiche o le sottili ali delle farfalle, si gestiscono termodinamicamente, perché in effetti sono decisamente limitati sotto questo aspetto", spiega Yu. Data la loro ridottissima capacità termica, i piccoli animali, come gli insetti, possono raggiungere temperature estreme in pochi secondi.

Immagini termiche di farfalle della famiglia dei licenidi. L'intensità dell'immagine è proporzionale all'emissività termica, ossia la capacità di dissipare il calore attraverso la radiazione termica. L'immagine mostra che le parti di tessuto vivo delle ali hanno un'elevata emissività termica. Crediti immagine: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

Le formiche d'argento contrastano il calore estremo grazie ai finissimi peli che ricoprono il loro corpo. Questi peli svolgono due funzioni: la retrodiffusione della luce nella lunghezza d'onda della luce visibile e dell'infrarosso, per ridurre la quantità di assorbimento di energia solare, e il miglioramento dell'emissività termica, per consentire al corpo della formica surriscaldato di distribuire con maggiore efficacia il calore sotto forma di radiazione termica.

"Volevamo scoprire come i piccoli animali si sono adattati per sopravvivere al calore estremo", dice Yu. Attualmente il ricercatore sta lavorando ad uno studio per approfondire ulteriormente le tecniche adottate dai piccoli insetti per ridurre il calore corporeo. Le ali delle farfalle sono coperte da sensori meccanici per rilevare il surriscaldamento, e le scaglie alari contengono nanostrutture che favoriscono il raffreddamento radiativo. Oltre all'interesse biologico di queste scoperte, Yu ritiene che potrebbero servire da ispirazione per la progettazione di nanostrutture resistenti al calore e di aeromobili per il rilevamento di calore.

Le immagini termiche aiutano a rivelare come le farfalle, ad esempio questa Satyrium caryaevorus, contrastano il surriscaldamento. La membrana tra le nervature delle ali è in realtà più calda del resto dell'ala, ma sembra più fredda perché è semi-trasparente e su uno sfondo fresco. Crediti immagine: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

Yu e la sua collega Naomi E. Pierce, Hessel Professor of Biology, hanno in programma di proseguire le loro ricerche sulle ali delle farfalle. Pierce è responsabile dell'area Lepidotteri del museo Museum of Comparative Zoology di Harvard, ed ha accesso a una vasta collezione di farfalle e falene. Attualmente i due ricercatori stanno conducendo uno studio approfondito sull'intera collezione di esemplari utilizzando una termocamera, con l'intento di comprendere i fattori che concorrono nella struttura di un'ala di farfalla. Yu paragona l'opera alla "decifrazione di un libro complesso", in virtù dei molteplici elementi che hanno avuto un ruolo nell'evoluzione dell'ala delle farfalle. Chiaramente, questo è un libro che vale la pena di leggere attentamente per vedere a quali altre scoperte potremmo riungere.

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