ความร้อนกับปีกผีเสื้อ

          ผีเสื้อเป็นแมลงชนิดหนึ่งที่มีหลากหลายชนิด แต่ละภูมิภาคจะมีลักษณะของผีเสื้อที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมที่อาศัย ผีเสื้อจัดอยู่ในอันดับ(Order) Lepidoptera อยู่ในชั้น(Class) Insecta อยู่ในไฟลัม (Phylum) Arthropoda ซึ่งจัดอยู่ในอาณาจักรสัตว์ (Animal kingdom) ผีเสื้อนั้นไม่มีโครงสร้างแข็งภายในหรือกระดูก เปลือกนอกมีลักษณะแข็งเป็นสารจำพวกไคติน(chitin) ห่อหุ้มร่างกาย ภายในเปลือกแข็งจะมีกล้ามเนื้อที่ใช้สำหรับการเคลื่อนที่ของผีเสื้อ ปีกผีเสื้อมีลักษณะเป็นเยื่อบางๆที่ประกบกัน โครงสร้างปีกเป็นเส้นเพื่อให้ปีกสามารถคงรูปอยู่ได้ ปีกคู่หน้าจะมีเส้นปีก(Vein) 12 เส้น ปีกคู่หลังจะมีเส้นปีก 9 เส้น การจัดเรียงเส้นปีกจะแตกต่างกันขึ้นอยู่กับชนิดและวงศ์ของผีเสื้อ นอกจากนี้ที่ปีกยังมีท่อลมที่ช่วยในการแลกเปลี่ยนแก๊ส ทำให้เนื้อเยื่อและกล้ามเนื้อได้รับแก๊สโดยตรง ดังนั้นระบบหมุนเวียนเลือดของผีเสื้อจึงไม่สำคัญมากนัก ที่ผิวด้านนอกของปีกและลำตัวจะมีเกล็ดขนาดเล็กคล้ายกับเกล็ดปลาเรียงซ้อนกัน (500-125000 ชิ้น/ตารางนิ้ว) เกล็ดสามารถหลุดได้เมื่อเกิดการสัมผัสกับสิ่งต่างๆ และไม่สามารถสร้างขึ้นมาใหม่ได้ จึงส่งผลต่อประสิทธิภาพในการบิน นอกจากนี้ที่เกล็ดยังมีเม็ดสีต่างๆกระจายตัวอยู่ทั่วปีก ทำให้ผีเสื้อมีปีกที่สวยงามและแตกต่างกันออกไปในแต่ละชนิด


          ผีเสื้อนั้นเป็นสัตว์เลือดเย็น ดังนั้นอุณหภูมิของร่างกายจึงเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อม พวกมันจึงต้องอาศัยแหล่งพลังงานจากภายนอกเพื่อทำให้ร่างกายอุ่นขึ้น ผีเสื้อจึงต้องออกมารับแสงในตอนเช้าๆก่อนที่พวกมันจะบินออกหาอาหาร ได้มีงานวิจัยของ Cheng-Chia Tsai ได้ศึกษาเกี่ยวกับผีเสื้อพบว่าอุณหภูมินั้นมีผลต่อการบินของผีเสื้อมาก โดยเขาได้ใช้ผีเสื้อแดงยุโรป(Vanessa cardui), Satyrium caryaevorus และ Parrhasius m-album เพราะเป็นผีเสื้อที่พบได้ทั่วไปและมีกระจายอยู่อยู่ทั่วโลก จากการย้อมสีด้วยเมธิลีนบลู(methylene blue) จะพบว่าโครงสร้างของปีกประกอบด้วยเส้นเสือดดำที่เชื่อมกับระบบประสาทเป็นโครงข่ายกระจายไปทั่วปีก ระหว่างเส้นเลือดดำจะเป็นท่อลมที่ใช้สำหรับแลกเปลี่ยนอากาศ(O₂) และนำอากาศเข้าสู่ร่างกาย เมื่อท่อลมขยายตัวอากาศจะเข้าไปสู่เส้นเลือด และเมื่อเส้นเลือดหดตัวอากาศจะออกมาจากเส้นเลือดดำ ซึ่งความถี่ของการไหลเวียนของอากาศเข้าและออกจะเป็นรอบ รอบละประมาณ 2-3 นาที ผีเสื้อที่อายุมากระยะเวลาของแต่ละรอบอาจใช้เวลานานขึ้น 
            แสงอาทิตย์นั้นประกอบด้วยรังสีอัลตร้าไวโอเลต(Ultraviolet) 10% แสงขาว(visible light) 40% และรังสีอินฟราเรด(infrared) 50% ปีกผีเสื้อจะมีการระบายความร้อนแบบการแผ่รังสีและการพาความร้อน เพื่อไม่ให้ปีกร้อนจนเกินไปและอุณหภูมิเหมาะสมสำหรับการบิน ในขณะที่ผีเสื้อตัวผู้จะมีแผ่นกลิ่น(scent pads) อยู่ที่ปีกมีลักษณะเป็นแผ่นบางๆสีดำ เมื่อแผ่นกลิ่นนี้ถูกแสงจะมีการดูดซับพลังงานาจากแสงอาทิตย์มากกว่าบริเวณอื่นของปีก ในช่วงใกล้อินฟราเรด (near-infrared λ=0.7-1.7 μm)จะดูดซับพลังงานจากแสงอาทิตย์ที่ต่ำและจะดูดซับมากขึ้นในช่วงแสงขาว (visible light) ส่วนผิวปีกที่สีอ่อนกว่าจะดูดซับพลังงานจากแสงอาทิตย์ได้น้อยกว่าเช่นกัน นอกจากนี้ที่ปีกยังมีการแผ่รังสีที่สูง ความร้อนจะกระจายไปทั่วปีกและแผ่รังสีสู่สิ่งแวดล้อม ส่วนต่างๆของปีกจะมีการแผ่รังสีที่แตกต่างกันโดยเฉพาะที่แผ่นกลิ่นจะมีการแผ่รังสีมากกว่าบริเวณอื่น ซึ่งเป็นโครงสร้างนาโนแบบพิเศษที่มีความหนาและกลวงจึงทำให้เกิดการแผ่รังสีได้ดี ซึ่งการแผ่รังสีความร้อนจะเพิ่มความสามารถในการระบายความร้อนสิ่งนี้ช่วยทำให้อุณหภูมิของปีกไม่สูงจนเกินไป 

            เมื่อใช้แสงเลเซอร์ฉายไปที่ปีกและสังเกตด้วยกล้องอินฟราเรด พบว่าแสงเลเซอร์ทำให้ปีกนั้นมีอุณหภูมิที่สูงขึ้น ผีเสื้อจะมีการตอบสนองโดยการหมุนไปรอบๆเพื่อไม่ให้ปีกร้อนจนเกินไป ถ้าฉายแสงเลเซอร์ในขณะที่ผีเสื้อกางปีก ผีเสื้อจะตอบสนองโดยการหุบปีกเพื่อไม่ให้ปีกร้อนจนเกินไป หรือขยับปีกข้างที่ร้อนเพื่อลดอุณหภูมิของปีกลง จากการทดลองนี้ทำให้ทราบว่าปีกผีเสื้อมีระบบเซนเซอร์ความร้อนที่แม่นยำมาก เมื่อปีกมีอุณหภูมิมากกว่า 40℃ จะมีการตอบสนองแสดงให้เห็นถึงพฤติกรรมที่ป้องกันไม่ให้ปีกมีความร้อนสูงเกินไป            จากการศึกษานี้อาจจะนำไปสู่การออกแบบสารหล่อเย็นที่มีความสามารถในการแผ่รังสีซึ่งจะช่วยในการระบายความร้อน นอกจากนี้ที่ปีกของผีเสื้อยังมีเซนเซอร์มากมายที่ช่วยในการรับรู้และตอบสนองต่ออุณหภูมิที่ปีก อาจจะนำมาออกแบบการทำงานของปีกเครื่องบินให้ทำงานได้ในสภาพอากาศที่ซับซ้อนได้อีกด้วย

 

อ้างอิง

• [1] Cheng-Chia Tsai, Physical and behavioral adaptations to prevent overheating of the living wings of butterflies, Nature Communications volume 11, Article number: 551 (2020)
• [2] Holly Evarts, Beating the Heat in the Living Wings of Butterflies, JAN 28 2020, https://engineering.columbia.edu/press-releases/nanfang-yu-butterfly-wing-scales
• [3] Erin Garcia de Jesus, How thin, delicate butterfly wings keep from overheating, Science News, 10 Feb , 2020, https://www.sciencenews.org/article/butterfly-wings-heat-temperature-nanostructures