Imagens térmicas permitem aos pesquisadores ver além da superfície das asas das borboletas

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Crédito da imagem: Nanfang Yu e Cheng-Chia

Tsai

Verificou-se que as borboletas são tão impressionantes nas imagens térmicas quanto no espectro de luz visível. Pesquisadores da Columbia Engineering e da Universidade de Harvard publicaram um estudo na Nature examinando as propriedades termodinâmicas das asas das borboletas e a importância do resfriamento radiativo para manter estas delicadas estruturas em movimento. Nanfang Yu, professor associado de física aplicada na Columbia, descreve como as imagens térmicas tiveram um papel importante no estudo.

“É a maneira menos invasiva de medir a temperatura,” explicou Yu. No estudo, a equipe identificou as estruturas vivas complexas presentes nas asas das borboletas que auxiliam habilmente na termorregulação. Com uma câmera termográfica como a FLIR SC660, “você consegue basicamente ver o esqueleto da borboleta,” disse Yu. “É quase como uma radiografia, você vê a estrutura, as veias da asa, a membrana… todo o corte transversal do material da asa.” Em imagens térmicas, todas as cores brilhantes e os padrões da asa de uma borboleta desaparecem, e o que você vê é a estrutura subjacente da própria asa.

Imagens térmicas das borboletas da família Pieridae. Crédito da imagem: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

Estudos anteriores sobre as asas das borboletas foram limitados ao uso de equipamentos como termopares para medir a temperatura. Mesmo as menores sondas são grandes comparadas à espessura da asa de uma borboleta, e o ato de medir pode afetar a temperatura local. Outras imprecisões podem ocorrer, já que as medições são feitas apenas em cada ponto. Com as imagens térmicas, “você pode medir e mapear toda a distribuição de temperatura,” disse Yu. Sua equipe conseguiu visualizar e medir a diferença de temperatura entre as veias, a membrana e outras estruturas da asa, como as androcônias. Eles descobriram que as áreas das asas das borboletas que contêm células vivas (veias da asa) apresentam uma emissividade térmica mais alta que as regiões “sem vida” da asa (a membrana).

As estruturas vivas da asa (veias da asa, androcônias) apresentam uma emissividade elevada para facilitar a dispersão de calor através da radiação térmica. Crédito da imagem: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

“Essa técnica de geração de imagens nos permite examinar adaptações físicas que desassociam a aparência visível da asa de suas propriedades termodinâmicas,” disse Yu em um artigo da Columbia Engineering. “Descobrimos que nanoestruturas da escama diferentes e espessuras de cutícula não uniformes criam uma distribuição heterogênea de resfriamento radiativo – dissipação de calor através de radiação térmica – que reduz de forma seletiva a temperatura das estruturas vivas como as veias da asa e as androcônias.”

Medir a temperatura das asas das borboletas com imagens térmicas também tem suas dificuldades. “O desafio aqui é que, no caso da asa de uma borboleta, a câmera termográfica fornece uma leitura de temperatura, mas você não pode confiar nesta leitura de temperatura,” disse Yu. “A asa da borboleta é semitransparente na imagem infravermelha; então, quando olha para a asa de uma borboleta através de uma câmera termográfica, você não está recebendo apenas a radiação térmica da asa em si; você está recebendo também a radiação térmica gerada pelo fundo atrás da asa.” Um fenômeno semelhante pode ser observado com uma folha fina de plástico, como uma sacola de plástico de mercado, que, assim como a asa de uma borboleta, é opaca no espectro de luz visível mas transparente no infravermelho.

Materiais muito finos como um saco plástico ou a asa de uma borboleta podem ser transparentes no espectro de infravermelho. Para obter uma leitura de temperatura válida da asa de uma borboleta, a equipe de Yu teve que quantificar a emissividade e refletividade da asa e remover de suas medições as fontes de temperatura de fundo.

Além disso, para mapear a distribuição térmica das asas da borboleta, os pesquisadores também realizaram estudos comportamentais que eram observados nas imagens térmicas. Usando uma pequena luz como fonte de calor, eles demonstraram que as borboletas utilizam suas asas para detectar a direção e a intensidade da luz solar. Na temperatura de “ativação” de aproximadamente 40 °C, todas as espécies estudadas viravam depois de alguns segundos para evitar a luz e impedir o superaquecimento das asas.

As asas da borboleta possuem sensores mecânicos que detectam a direção e a intensidade da luz. Aqui, a borboleta move-se rapidamente para impedir o superaquecimento de sua asa. Crédito da imagem: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

Não é a primeira vez que Yu utiliza uma câmera termográfica para estudar insetos. “Quando eu comecei a trabalhar na Columbia em 2013, a câmera FLIR foi um dos primeiros equipamentos que eu comprei enquanto estava montando o meu laboratório,” disse Yu. Apesar de sua pesquisa ser focada principalmente em nanofotônica, Yu tem um interesse específico no cruzamento entre biologia, fotônica e física. “Muitas vezes eles me sondam com perguntas relativas à biografia dos animais que eles estão estudando... Tenho um grande interesse em ajudá-los a solucionar esses mistérios dos pontos de vista da física e da fotônica”, disse Yu sobre seus colegas no campo de biologia.

Durante uma colaboração anterior com um colega nanobiólogo, Yu estudou as formigas prateadas do Saara, que procuram alimentos debaixo do calor do dia em um dos ambientes terrestres mais quentes na Terra. Neste estudo, publicado na Science em 2015, os pesquisadores também utilizaram uma câmera científica da FLIR para monitorar as temperaturas do corpo das formigas. Eles estavam tentando entender como insetos tão pequenos podiam sobreviver a condições tão extremas. “O interessante aqui é entender como insetos leves e pequenos – pequenas formigas ou as finas asas das borboletas – cuidam de sua termodinâmica, já que eles são, por padrão, muito ruins nisso,” explicou Yu. Devido à sua capacidade térmica pequena, animais pequenos como insetos podem alcançar temperaturas muito altas em poucos segundos.

Imagens de infravermelho de borboletas da família Lycaenidae. A intensidade da imagem é proporcional à emissividade térmica – a capacidade de dissipar calor através da radiação térmica. A imagem mostra que as partes vivas das asas apresentam uma alta emissividade térmica. Crédito da imagem: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

As formigas prateadas são submetidas a condições de calor extremo e utilizam os pelos extremamente finos que cobrem seus corpos. Esses pelos têm duas funções: retrodifusão da luz nos comprimentos de onda de luz visível e de infravermelho para reduzir a quantidade de absorção de energia solar; aumento da emissividade térmica para que, quando o corpo da formiga estiver aquecido, o calor ser melhor distribuído na forma de radiação térmica.

“Queríamos descobrir como a estrutura de animais pequenos sobrevive ao calor extremo,” disse Yu. O seu estudo mais recente continua a explorar a questão de como insetos pequenos conseguem se manter frescos. As asas de uma borboleta estão repletas de sensores mecânicos que detectam o superaquecimento, e as escamas de suas asas contêm nanoestruturas que ajudam a facilitar o resfriamento radiativo. Além do interesse biológico dessas descobertas, Yu acha que elas podem servir como inspiração para a criação de nanoestruturas resistentes ao calor e aeronaves que detectam calor.

As imagens térmicas ajudam a revelar como borboletas, como essa chamada de hickory hairstreak, evitam o superaquecimento. A membrana entre as veias da asa é na verdade mais quente que o resto da asa, mas parece mais fria porque é semitransparente em relação a um fundo frio. Crédito da imagem: Nanfang Yu e Cheng-Chia Tsai

Yu e sua colega Naomi E. Pierce, Professora de Biologia de Hessel, planejam continuar a pesquisa sobre asas de borboletas. Pierce é a Curadora de Lepidópteros do Museu de Zoologia Comparada de Harvard, e tem acesso a uma grande coleção de borboletas e mariposas. Eles estão atualmente fazendo uma verificação completa da coleção utilizando uma câmera termográfica, e esperam conseguir entender os fatores que contribuem para a estrutura da asa de uma borboleta. Yu compara o trabalho a “decifrar um livro complexo”, devido aos muitos elementos diferentes que tiveram uma função na evolução da asa da borboleta. Naturalmente, esse é um livro que vale a pena ler com atenção para ver que outras coisas podemos descobrir.

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