Наблюдая за жизнью шершней, израильские ученые установили, что эти насекомые обладают достаточно эффективным механизмом охлаждения своего тела. Исследователи полагают, что они столкнулись с неизвестным ранее явлением - термоэлектрическим охлаждением у живых существ.

Рис. 1. a-d - полученные с помощью инфракрасной камеры изображения отдельных шершней и групп насекомых. Снимки показывают, что температура всего тела шершней (или некоторых его частей) может быть на несколько градусов ниже температуры окружающей среды.

"Трудолюбивость" пчел вошла в пословицу: неустанно, несмотря на жару, пополняют они в летние дни свои "закрома Родины". Возможно, некоторые люди, обливаясь потом под палящим Солнцем, завидуют пчелам и другим насекомым, не задымываясь при этом о том, как чувствуют себя насекомые. Как известно, насекомые имеют плотный наружный скелет (кутикулу), состоящий приемущественно из хитина. Эта особенность их строения не позволяет им использовать столь эффективный механизм охлаждения, как потоотделение, поэтому логично ожидать, что температура тела летящего насекомого может быть только выше температуры окружающей среды за счет выделения тепла при работе мускулов насекомого в полете. Однако это, казалось бы, довольно очевидное предположение не нашло подтверждения в ходе наблюдений над колонией шершней в лаборатории университета Тель-Авива [1]. Израильские ученые проводили съемки насекомых чувствительной инфракрасной камерой при различных условиях. Было установлено, что во многих случаях температура тела шершней или отдельных его частей заметно ниже температуры окружающей среды (рис. 1).

Поскольку насекомые не потеют, у них должно иметься какое-то иное эффективное охлаждающее устройство, причем именно в кутикуле, так как в противном случае было бы сложно обеспечить охлаждение всего тела и, в особенности, крыльев. Для того, чтобы отводить тепло от холодного тела и передавать его горячему, требуется производить работу. Довольно сложно представить себе, что внутри твердого хитинового панциря каким-то образом производится механическая работа, гораздо более вероятно, что в кутикуле могут идти электрохимические реакции. В таком случае мы, в принципе, можем иметь дело с естественным термоэлектрическим охлаждающим устройством. Если это так, то работа израильских ученых - первое свидетельство в пользу возможности существовании природных термоэлектрических охлаждающих устройств.

Такие устройства применяются во многих областях человеческой деятельности. Они представляют собой "сборку" из находящиеся в контакте друг с другом различных материалов (металлов, полупроводников), через которые пропускается электрический ток. Из-за различия энергетической структуры материалов при переходе носителей заряда из одного материала в другой может происходить разогрев контакта (за счет передачи избыточной энергии от носителей заряда кристаллической решетке) либо его охлаждение (за счет ухода из материала носителей заряда с максимальной энергией). В результате, при соответствующем подборе материалов, можно отводить тепло от холодной контактной области к горячей и за счет этого производить охлаждение объекта, находящегося в контакте с холодной областью.

Рис. 2. a-c - полученные с помощью электронного микроскопа изображения кутикулы шершней (отмеченные на рисунку масштаб соответствует 10 мкм), d - изображение коммерческого термоэлектрического теплового насоса с размерами порядка нескольких сантиметров.

Однако пока еще слишком мало известно об электрических свойствах наружных скелетов насекомых, чтобы делать какие-то категорические утверждения, хотя и сущестуеют данные, в какой-то степени свидетельствующие в пользу предположения израильких ученых. Так, при исследовании кутикул ос наблюдался фотогальванический эффект, который, как известно, имеет место при освещении полупроводниковых p-n переходов и гетеропереходов, что используется для создания солнечных элементов (таким образом, Солнце может обеспечивать генерацию тока для термоэлектрического охлаждения при нахождении насекомого под солнечными лучами). Также, по мнению израильских ученых, сложная структура кутикулы (рис. 2a - 2c). во многом напоминает строение современных многослойных термоэлектрических охлаждающих устройств (рис.2d).

Так или иначе, предстоит еще много работы, чтобы подтвердить или опровергнуть высказанное предположение. Например, термоэлектрическое охлаждение тела насекомых, очевидно, не может работать в непрерывном режиме, так как при этом наружный слой кутикулы всегда имел бы температуру, превышающую температуру окружающей среды. Исследователи планируют, в частности, посредством непрерывного наблюдения за отдельными насекомыми зафиксировать периодическое изменение температуры внешней оболочки тела вследствие "включения-выключения" охлаждающего устройства.

1. Jacob S.Ishay, Vitaky Pertsis, Eran Rave et al. Phys.Rev.Lett., v.90, 218102 (2003).

Е.Онищенко