Nanfang Yu, Phó Giáo sư Vật lý ứng dụng tại Columbia Engineering, và các cộng sự từ Đại học Zurich và Đại học Washington đã phát hiện ra hai chiến lược quan trọng cho phép kiến bạc Sahara chống chọi với một trong những môi trường nắng nóng nhất trên Trái đất.

Nhóm nghiên cứu của Yu là nhóm đầu tiên chứng minh rằng cơ thể kiến bạc Sahara được bao phủ bởi một lớp các sợi lông có hình dạng độc đáo có thể kiểm soát sóng điện từ trên một phạm vi rất rộng từ quang phổ mặt trời (khả kiến và cận hồng ngoại) đến quang phổ bức xạ nhiệt (giữa hồng ngoại) và các cơ chế vật lý khác nhau được sử dụng trong các dải quang phổ khác nhau để thực hiện cùng một chức năng sinh học là giảm nhiệt độ của cơ thể.

“Đây là một ví dụ đáng chú ý về cách quá trình tiến hóa tạo ra sự thích ứng của các thuộc tính vật lý để thực hiện một nhiệm vụ sinh lý và đảm bảo sự tồn tại, trong trường hợp này là để giúp kiến bạc Sahara không bị quá nóng”, Yu nói. “Trong khi đã có nhiều công trình nghiên cứu về quang học vật lý của các hệ sống trong phạm vi tử ngoại và khả kiến của quang phổ, sự hiểu biết của chúng ta về vai trò của ánh sáng hồng ngoại trong cuộc sống của chúng còn rất sơ đẳng. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy ánh sáng không nhìn thấy được bằng mắt thường không nhất thiết có nghĩa là nó không đóng một vai trò then chốt đối với các sinh vật sống”.

Dự án nghiên cứu ban đầu được khởi động bằng cách tự hỏi liệu lớp lông màu bạc đáng chú ý của kiến có quan trọng trong việc giữ cho chúng mát ở nhiệt độ cực nóng không. Nhóm nghiên cứu thấy rằng câu trả lời cho câu hỏi này rộng hơn nhiều một khi họ nhận ra vai trò quan trọng của ánh sáng hồng ngoại. Khám phá của họ cho thấy có một giải pháp sinh học đối với vấn đề điều nhiệt có thể dẫn đến sự phát triển các cấu phần quang học phẳng mới có các đặc tính làm mát tối ưu.

“Các bề mặt làm mát lấy cảm hứng từ sinh học như vậy sẽ có hệ số phản chiếu cao trong quang phổ mặt trời và hiệu suất bức xạ cao trong quang phổ bức xạ nhiệt”, Yu giải thích. “Vì vậy, điều này có thể tạo ra các ứng dụng hữu ích như bề mặt làm mát cho xe cộ, tòa nhà, dụng cụ và thậm chí cả quần áo”.

Kiến bạc Sahara (Cataglyphis bombycina) kiếm thức ăn trong sa mạc Sahara dưới ánh nắng gay gắt giữa trưa khi nhiệt độ bề mặt lên tới 70 độ C và chúng phải giữ cho nhiệt độ cơ thể của chúng dưới nhiệt độ giới hạn tối đa là 53,6 độ C trong hầu hết thời gian (Nhiệt độ giới hạn tối đa là nhiệt độ tại đó một loài nhất định vẫn phát triển nhưng hết sức chậm và yếu ớt, nếu quá giới hạn đó, loài này sẽ bị chết). Trong các cuộc hành trình tìm kiếm thức ăn, những con kiến này tìm xác côn trùng và các động vật chân đốt khác đã không chịu được nhiệt độ khắc nghiệt của sa mạc, trong khi chúng có thể chịu đựng được tốt hơn. Hoạt động nhiều nhất vào thời điểm nóng nhất trong ngày cũng cho phép những con kiến này tránh thằn lằn sa mạc ăn mồi sống. Các nhà nghiên cứu từ lâu đã tự hỏi làm thế nào những loài côn trùng nhỏ này (dài khoảng 10 mm) có thể tồn tại trong những điều kiện nhiệt độ cực cao và căng thẳng như vậy.

Sử dụng kính hiển vi nguyên tử và kỹ thuật nghiền chùm ion, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các sợi lông bao phủ trên cơ thể kiến có hình dạng độc đáo với mặt cắt hình tam giác của chúng giữ mát cho kiến theo hai cách. Những sợi lông này có khả năng phản chiếu cao dưới ánh sáng khả kiến và cận hồng ngoại, có nghĩa là trong khu vực phản xạ tối đa ánh sáng mặt trời (những con kiến này chạy với tốc độ lên đến 0,7 mét mỗi giây và trông giống như những giọt thủy ngân lăn trên sa mạc). Chúng cũng phản xạ mạnh ở phần giữa hồng ngoại của quang phổ điện từ, nơi chúng có chức năng như một lớp chống phản xạ làm tăng khả năng tản nhiệt dư thừa của kiến qua bức xạ nhiệt, được phát ra từ cơ thể nóng của kiến khi chúng ở trong môi trường mát mẻ. 

“Để đánh giá ảnh hưởng của bức xạ nhiệt, hãy nghĩ đến cảm giác lạnh khi bạn ra khỏi giường vào buổi sáng”, Yu nói. “Một nửa của sự mất năng lượng tại thời điểm đó là do bức xạ nhiệt do nhiệt độ da của bạn tạm thời cao hơn nhiều so với nhiệt độ của môi trường xung quanh”.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hệ số phản xạ tăng trong quang phổ mặt trời và hiệu suất bức xạ nhiệt tăng giúp giảm nhiệt độ cơ thể của kiến bạc từ 5 đến 10 độ so với nếu không có lớp lông phủ. “Thực tế là những con kiến bạc có thể kiểm soát sóng điện từ trên một phạm vi quang phổ rộng như vậy cho chúng ta thấy mức độ phức tạp của chức năng này của các cơ quan sinh học có vẻ đơn giản của côn trùng”, Norman Nan Shi, tác giả chính của nghiên cứu nói.

Yu và nhóm nghiên cứu có kế hoạch tiếp theo mở rộng nghiên cứu của họ sang các động vật và các sinh vật sống trong môi trường khắc nghiệt khác, cố gắng tìm hiểu những chiến lược mà những sinh vật này đã phát triển để đối phó với điều kiện môi trường khắc nghiệt.

“Động vật đã tiến hóa thay đổi các chiến lược khác nhau để cảm nhận và sử dụng sóng điện từ: Mắt của các loài cá sống ở biển sâu cho phép chúng chuyển động khéo léo và săn mồi trong vùng nước tối đen, bướm tạo ra màu sắc từ các cấu trúc nano trong cánh của chúng, những con ong mật có thể thấy và phản ứng với các tín hiệu cực tím và đom đóm sử dụng các hệ thống thông tin liên lạc flash”, Yu cho biết thêm. “Các cơ quan đã tiến hóa để nhận biết hoặc kiếm soát sóng điện từ thường vượt qua các thiết bị nhân tạo tương tự về cả sự tinh tế và hiệu quả. Việc hiểu và khai thác các cấu trúc tự nhiên làm tăng thêm kiến thức của chúng ta về các hệ sinh học phức tạp và truyền cảm hứng cho những ý tưởng tạo ra các công nghệ mới”.

Nguồn: NASATI, ngày 2/7/2015.