От крыла бабочки к нанотехнологиям. От чего зависит окраска крыльев бабочки

Иногда самые простые вопросы могут поставить в тупик и заставить надолго задуматься. Например, сколько у На первый взгляд, ответ очевиден - четыре. Но многие совершенно искренне считают, что их два. Отчего возникает такая путаница, какое строение имеют чешуекрылые и сколько у бабочки крыльев на самом деле - тема этой статьи.

Кто такие бабочки

Эти создания относятся к отряду чешуекрылых. Названы они так потому, что их крылышки покрыты мельчайшими чешуйками. Они представляют собой видоизмененные (сплюснутые) хитиновые волоски. Словно густой ковер, они покрывают крылья бабочек и обеспечивают им яркую и разнообразную окраску. На каждом из крылышек их число может достигать миллиона.

Чешуйки бывают разными: оптическими, пигментными и пахучими. Последние выделяют феромоны - особые вещества, привлекающие особей другого пола. Некоторые бабочки могут почувствовать самку за десятки километров. Пигментные чешуйки окрашивают крылья в самые разные оттенки цвета, а оптические имеют ребрышки, преломляющие свет. Из-за них крылышки бабочек могут переливаться.


Сейчас отряд чешуекрылых насчитывает порядка 250 тысяч видов.

Строение крыльев

Отвечая на вопрос, сколько у бабочки крыльев, кратко рассмотрим ее строение. Само насекомое состоит из трех отделов - это голова, грудь и брюшко. В средней и задней части груди расположены крылышки. Кстати, а сколько пар крыльев у бабочки? Ответ можно найти на этой схеме.


На ней отчетливо видно, что у чешуекрылых две пары крыльев - два передних и два задних. Они перепончатые, имеют некоторое количество жилок. Двухслойная перепонка, натянутая на каркас из жилок, образует крыло.

Почему кажется, что крыльев всего два - справа и слева от брюшка насекомого? Дело в том, что у бабочки они расположены в одной плоскости, а у некоторых представительниц чешуекрылых имеют еще и соединяющую их перепонку. Бабочка взмахивает двумя парами крылышек синхронно. Это и создает ложное впечатление, что их два.

Окраска крыльев бабочек - бесконечное разнообразие оттенков

По красоте и богатству ярких тонов чешуекрылых постоянно сравнивают с цветами. Среди бабочек есть особи совсем неприметные, одетые в серые и коричневые тона. Они в основном ведут ночной образ жизни, и их неброская окраска позволяет им отлично маскироваться на камнях, ветках или коре деревьев. Но гораздо больше бабочек с поразительно красивыми крыльями, раскрашенными в самые невероятные цвета.


Самые необычные крылья у бабочек

Разнообразие необычных форм и окраски крыльев чешуекрылых не может не восхищать. Среди них встречаются такие экземпляры, которые кажутся просто невозможными, настолько удивительными они выглядят.

Стеклянная бабочка Greta oto имеет прозрачные крылья, обрамленные каемкой темного цвета. Тельце насекомого окрашено в коричневые тона. На этом фоне крылья, лишенные пигментных чешуек, выглядят совершенно прозрачными. В лесах Амазонки Greta oto - одна из самых распространенных бабочек, но для нас ее внешний облик очень необычен и красив.


Сатурния мадагаскарская из семейства павлиноглазок - обладательница необычных крыльев с длинными хвостиками. Они имеют яркую окраску (от до оранжевого). Эта бабочка - одна из самых крупных в мире. На каждом крыле величиной с ладонь человека расположено пятно в форме глаза. Смотрится бабочка, обитающая только на Мадагаскаре, впечатляюще.

А белоснежная пальцекрылка выглядит так, словно покрыта перьями. Эти бабочки совсем малютки, в длину достигают 10-40 миллиметров и ведут ночной образ жизни.


Заключение

Сколько у бабочки крыльев? Ответ на, казалось бы, простой вопрос, не всегда бывает легким. Зато это отличный повод присмотреться к бабочкам и в который раз восхитится изобретательностью и фантазией природы.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 2»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ

«От бабочки к новым материалам»

Выполнили: Городских Павел, 9 «А»,

Русаков Илья, 7 «А» класс

Руководитель: Тихонов Игорь Васильевич,

учитель физики, информатики.

г.Глазов, 2013 год

Содержание:

    Введение. Описание проблемы.

    Цели проекта.

    Суть решения.

3.1. Строение крыла бабочки.

3.2. Физические причина возникновения множества цветовых комбинаций на крыле бабочки.

3.3. Практические приложения, заимствованные человеком у бабочки.

    Литература и источники.

    Приложения.

«Ум заключается не только в знании,

но и в умении прилагать знание на деле…»

(Аристотель).

Описание проблемы.

Россияне во все времена любили красиво и празднично одеваться, находя природные красители для окрашивания своих нарядов. По мере развития химической науки появились красители на анилиновой основе, получаемые промышленным способом, что позволило производить окрашивание тканей в промышленных масштабах.



Нередко химические красители содержали очень вредные для здоровья человека соединения, например, соединения мышьяка, придающие материалам зелёный цвет, активно использовались для окрашивания обоев и тканей, что приводило к росту бытовых отравлений, резко увеличилось количество промышленных отходов, загрязняющих окружающую среду. Все эти проблемы заставили искать более экологически безопасные способы окрашивания тканей и материалов.

Биоценоз северных районов Удмуртии очень богато представлен разнообразными насекомыми. Особенно разнообразен мир бабочек. Передвигаясь по обочинам вдоль дорог, можно часто видеть бабочек, жуков, стрекоз, сбитых ударной волной, образовавшейся при движении машин. При этом часто попадаются хорошо сохранившиеся экземпляры на радость коллекционеру.




Фотографии бабочек, сделанные нами, на основе коллекционного материала, собранного летом вдоль дорог.

Таким образом, можно собрать за лето и осень коллекцию, дающую представление о насекомых, населяющих север Удмуртии.

На первый взгляд эти красивые, переливающиеся всеми цветами радуги насекомые не играют никакой существенной роли в нашей повседневной жизни. Однако при более пристальном наблюдении за ними можно сделать вывод, что они являются опылителями растений, чем существенно влияют на урожайность полей и огородов, а также способствуют сохранению флоры наших полей и лесов.

Разнообразная окрашенность насекомых, способность их менять свою окраску, мимикрируя в зависимости от условий, в которых насекомое находится,

заставила нас задуматься над тем, каким образом насекомым, в частности бабочке, удаётся создавать невероятное количество цветовых оттенков и причудливых узоров . Думаем, что в основе лежат не столько химические, сколько физические процессы (гипотеза проекта ).

Цели проекта:

    собрать натурный и исследовательский материал, провести опыты, объясняющие природу узоров, покрывающих поверхность крыльев бабочки;

    показать на конкретном примере, как от совершенно обыденного явления можно перейти к рассмотрению сложных явлений природы и дальнейшему применению их на практике.

Суть проблемы.

3.1. Строение крыла бабочки.

До недавнего времени химики считали, что окраска всех материалов, в том числе текстильных, зависит только от присутствия в них красителей и пигментов, способных поглощать какую-то часть лучей видимой части спектра и пропускать (если материалы прозрачны) или отражать (если они непрозрачны) остальные длины волн. Часть спектра, которую отражают материалы, наш глаз и воспринимает как цвет.

Благодаря исследованию бабочки, её способности создавать окраску поверхности своих крыльев, изменять её в зависимости от угла обзора крыла, произошла революция в текстильной промышленности.

Частички крыльев бабочек мы рассмотрели под микроскопом. Оказалось, что крылышки покрыты самыми разнообразными узорами и пигментными пятнами.


Из книги Л. В. Каабака «Бабочки мира». Фото: А. Сочивко

Кроме того, занимаясь этим вопросом, мы нашли фотографии в Интернете, на которых увидели изображение чешуек, покрывающих поверхность крыла бабочек. Оказалось, что поверхность крыла бабочки покрыта невероятно большим количеством ничтожно малых, совершенно бесцветных, имеющих определённую структуру чешуек.

К сожалению, мы не располагали таким мощным орудием исследователя, как электронный микроскоп, который позволил бы увидеть более глубокие структуры строения крыла бабочки, а потому наши исследования касались только поверхностной окраски крыла бабочки.

Чешуйчатое строение у бабочек возникло в юрском периоде более 200 миллионов лет тому назад .

За долгий путь эволюции оно развилось до высокой степени совершенства, что позволяет чешуйкам выполнять столь разнообразные функции, служащие одной цели - сохранению жизни насекомого .



Рис. 1. Поверхность крыла бабочки под электронным микроскопом. Изображение: «Химия и жизнь».

Итак, крылья бабочек покрыты мельчайшими бесцветными чешуйками (то, что все называют пыльцой, но пыльца- это у цветочков, хоть бабочки и переносят пыльцу, но летать они и без неё могут, а без чешуек - нет).

Двухслойный покров чешуек:

    увеличивает подъемную силу крыла в планирующем полете;

    защищает бабочку от переохлаждения;

    уменьшает шум и вибрацию при машущем полете;

    поглощает эхолокационные сигналы летучих мышей.

Кроме того, чешуйки защищают крыло от повреждений (при ударе крыла о лист растения или о каплю смолы чешуйки отламываются, снижая силу удара и не давая крылу приклеиться к коре деревьев) и способствуют стеканию статического электричества.

Чешуйки служат для лучшего аэродинамического сцепления с воздушными потоками.

Для нас в данной работе особенно важно то, что в крыльях бабочки возникает тонкослойная интерференция.

Выводы:

1. Чешуйки на крыльях бабочек – это продукт длительной эволюции развития, ЧЕЛОВЕКУ есть чему поучиться у маленькой и хрупкой БАБОЧКИ.

2. Природа ничего не создаёт просто так, а в каждое своё творение вкладывает глубокий смысл.

3 .2 Физические причина возникновения множества цветовых комбинаций на крыле бабочки .

Причиной множества цветовых комбинаций является интерференция (наложения световых волн), а также поглощение или отражение чешуйками отдельных цветов солнечного света.

В XVII веке, естествоиспытатель Роберт Гук, в своей книге «Micrographia », изложив свою теорию цветов, объяснил причину окраски тонких слоёв отражением света от их верхней и нижней границ. Фактически это было первое упоминание интерференции.

Вся красота достигается преломлением света на «пыльце», кроме отдельных пятен - это пигмент.


Рис.2. Изображение: «Химия и жизнь»

Крылья бабочек покрыты плотными рядами чешуек. Чешуйка с крыла морфиды (а ) похожа на дерево с несколькими ярусами «ветвей», в которых и происходит интерференция. Единичная чешуйка моли семейства Urania (в ) состоит из пяти слоев кутикулы, каждый из которых имеет толщину 400 нм и отделен от следующего воздушной прослойкой в 100 нм. Изображение: «Химия и жизнь»

Правильное объяснение структурной окраски впервые дал лорд Джон Уильям Стретт Рэлей в 1917 году. Он вывел формулу для выражения свойств отраженного света регулярных слоистых структур и утверждал, что окраска двойного кристалла, старого потрескавшегося стекла и покрова жучков и бабочек обусловлена не пигментами, а структурой этих материалов.

В крыльях бабочек возникает тонкослойная интерференция. Нижняя часть оптических чешуек пигментирована; пигмент не пропускает свет и тем самым придает большую яркость интерференционной окраске. Лучи света, проходя через прозрачные чешуйки на крыле, отражаются как от их внешних, так и от внутренних поверхностей.

Рис. 3. Интерференция в тонком слое. Изображение: «Химия и жизнь»

В результате два отражения как бы налагаются и усиливают друг друга (правда, возможен и обратный эффект, когда два отражения гасят друг друга).


Рис. 4. Два вида интерференции. Изображение: «Химия и жизнь»

Фактически оба отраженных потока, от внешней и внутренней поверхностей пластины, складываются или вычитаются .

Явление дисперсии хорошо просматривается на фотографиях, полученных с поверхности лазерного диска под электронным микроскопом.




www.netlore.ru

На первой фотографии отчётливо видно, что вся поверхность диска покрыта дорожками, напоминающими при значительном увеличении овраги на рельефе местности. Вторая фотография, выполненная в цвете, отчётливо показывает, что между дорожками располагаются области, напоминающие усечённые треугольные призмы. Из курса физики известно, что при падении на треугольную призму лучей света, возникает явление дисперсии – разложения света на его монохроматические составляющие (на лучи красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, голубого, синего, фиолетового цвета). На фотографии можно видеть цвета из указанного спектра.

Нами были проделаны следующие опыты: поверхность лазерного диска была сначала облучена лучами газоразрядной лампы, а затем обычной лампой накаливания.

Были получены спектры, которые были сфотографированы.







При этом можно наблюдать очевидное различие, а именно: на верхнем снимке спектр имеет дискретную структуру, чёткие кольца, окрашенные в различные цвета, просматриваются границы, отделяющие одно кольцо от другого. На втором снимке спектр имеет непрерывную структуру, границ, как и самих колец отчётливо не видно. Отсюда можно сделать вывод, что лампы накаливания, испускающие лучи, близкие к солнечному свету, более комфортна человеческому глазу, чем газоразрядные лампы, хотя последние более экономичны.

Выводы:

В процессе постановки эксперимента мы убедились в том, что близко расположенные дорожки, покрывающие поверхность диска, порождают явления дисперсии и интерференции. Именно эти явления создают огромную цветовую гамму .

Поискав в Интернете, нашли фотографии планеты Меркурий. Оказалось, что такая невзрачная в чёрно – белом изображении, вся покрытая бесчисленным количеством больших и ничтожно малых кратеров, как оспинами, зато как она красива в солнечном освещении. Природа и здесь во всём могуществе демонстрирует такие физические явления как дисперсию и интерференцию, как средство создания бесчисленного множества цветовых оттенков. Никакая компьютерная техника никогда не сравнится с могуществом природы. Снова причиной дисперсии и интерференции является бесчисленное количество лунок, кратеров, покрывающих поверхность планеты .




www . solsys . ru . merk 1. jpg

При определенной толщине крыла бабочки, в зависимости от его биологического материала, освещая крыло белым светом, можно увидеть только один цвет. В других случаях на крыльях и панцирях насекомых наблюдается весь спектр цветов, в том числе глубокий черный и белый, радужную окраску.

Систематические исследования перьев птиц, покровов насекомых, чешуи и кожи обитателей морей и океанов продолжаются до сих пор. Оказалось, что в животном мире существует три вида окраски: только структурная (бабочки Morplo ), только пигментная (как у бабочки лимонницы) и структурная в сочетании с пигментной. Синий цвет крыльев часто создаётся структурной окраской, за счёт чешуек, но если к ним добавляется жёлтый пигмент, то появляется дополнительный зелёный цвет.

Если интерференция происходит не в одной пленке, а в многослойном пакете прозрачных пленок, то конструктивная интерференция усилится и окраска будет более интенсивной. Такие многослойные прозрачные конструкции встречаются в оперении птиц, в покровных тканях насекомых, в чешуйках обитателей морей и океанов. Окраска этих живых организмов бывает самых разных цветов, в том числе радужной и переливчатой. У птиц оптические системы формируются комбинацией пигмента меланина, белка кератина и воздуха, а у бабочек исходный материал - азотсодержащий полисахарид хитин и пигменты.

Простейший пример радужной окраски - это тонкая пленка масла, керосина и других органических соединений на воде или красочные мыльные пузыри. Окраски радужная и переливчатая отличаются от структурной тем, что их цвет и оттенок меняются в зависимости от угла зрения наблюдателя. Но физическая природа у них одинаковая.



http :// fotki . yandex .. ru / users / kiv 17190176/ view /42996

На фотографиях отчётливо видно, что окрашенность крыльев бабочки зависит от угла падения на них солнечных лучей.

3.3 Практические приложения, заимствованные человеком у бабочки.

Все вышеуказанные свойства находят себе применение в текстильной промышленности, когда удаётся без использования красителей, создавать различные цветовые гаммы.

До недавнего времени химики считали, что окраска всех материалов (текстильных, строительных) зависит только от присутствия в них красителей и пигментов, способных поглощать какую-то часть лучей видимой части спектра и пропускать (если материалы прозрачны) или отражать (если они непрозрачны) остальные длины волн. Ту часть спектра, которую отражают материалы, наш глаз и воспринимает как цвет.

В авиационной промышленности наблюдения за полётом бабочек позволяют делать полёт летательных аппаратов более устойчивым.

В строительной индустрии при разработке многослойных теплоизоляционных материалов можно использовать модель крыла бабочки.

Оказалось, что природа уже многие миллионы лет может создавать окраску и без специальных окрашенных веществ - только за счёт упорядоченных структур очень маленьких размеров (наноразмеров).

Механизм окрашивания, в отличие от «химического», основан только на оптических принципах. Когда свет отражается от наноэлементов, имеющих вид решетки, кружева, бороздки, то, поскольку размеры этих элементов соизмеримы с длиной волны света, происходит интерференция, дифракция и рассеивание волн - в результате мы видим цвет. Такую окраску оптического происхождения назвали «структурной». Структурная окраска в живой природе существует примерно 500 миллионов лет.

Бабочки «выстраивают» на наружной поверхности своих крыльев тысячи и тысячи крохотных тонкослойных зеркал-чешуек, и каждое такое крохотное зеркальце отражает свет определенной длины волны. В результате возникает совершенно потрясающий эффект отражения необыкновенной яркости. Одна из версий наличия такой яркой окраски - привлечение самок.

Если обтрясти пыльцу с бабочки – насекомое будет травмировано.

Пыльца (чешуйки по-научному, а бабочки - чешуекрылые) бесцветна , а вся красота бабочкина достигается преломлением света на "пыльце", кроме отдельных пятен - это пигмент . Раскраска бабочкина - это её защита, то под какой - либо цветок маскируется, то на крыльях вдруг глаза появляются большущие. Тут-то хищник и испугается. Способность насекомых к мимикрии хорошо известна, активно изучается, делаются практические приложения.

Простейший пример радужной окраски - это тонкая пленка масла, керосина и других органических соединений на воде или красочные мыльные пузыри. Радужная и переливчатая окраски отличаются от структурной тем, что их цвет и оттенок меняются в зависимости от угла зрения наблюдателя. Но физическая природа у них одинаковая.

Исследовательская группа университета Калифорнии (Сан-Диего) в 2009 году получила новые полимерные материалы, изменяющие окраску под действием магнитного поля. Возможные области применения этой технологии - дисплеи, многократно используемая бумага со стирающимся текстом, защита ценных бумаг, экологически чистые пигменты, краски, косметика, чернила для печати.

Можно найти примеры случайной биомиметики в производстве текстиля. Так, определенная периодичность в структуре поверхности синтетических волокон приводит к интересным цветовым и тактильным эффектам. Такую ткань сделали в Японии - она называется «shingosen » (что буквально значит «новое синтетическое волокно» и созвучно названию известного сборника японской средневековой поэзии). Появились новые волокна с наноструктурированной геометрией поверхности. Специальная технология прядения, условия продавливания не только дают повышенную плотность волокон, но и формируют периодическую структуру на их поверхности. Такие волокна благодаря интерференции и рассеянию света ярко и радужно окрашены, как крылья бабочек. Кроме того, подобная структура поверхности улучшает смачиваемость синтетических волокон.

Текстильщики предлагают также «микрократерные» волокна, поверхность которых покрыта углублениями с диаметром несколько сот нанометров. Они хорошо рассеивают падающий свет, что углубляет окраску. Этот принцип в природе используют многие насекомые черного цвета.

Пока природа лучше, чем человек, справляется со многими задачами. Но человек понемногу учится делать все более сложные вещи, поэтому, может быть, завтра производство тканей цвета крыла тропической бабочки или морского перламутра станут рядовыми технологиями.

4. Предложенные методы и инструменты реализации.

В средствах массовой информации постоянно появляются сообщения об угрожающем положении в экологии. На территории Удмуртии имеется накопление огромных масс промышленных и бытовых отходов (около ста миллионов тонн).

К числу промышленных отходов относятся отходы органического и неорганического происхождения. Органические отходы могут быть переработаны в удобрения и вывезены на поля, либо сожжены, либо сами ликвидируются, разлагаясь естественным путём.

Другое дело неорганические отходы, которые практически не разлагаются и постоянно накапливаются. Например, стекло . Каждая фирма старается придать своей продукции привлекательный вид, поэтому производятся бутылки и стеклотара самых разнообразных форм, которые потом населению совершенно некуда сдать, и они попадают в отходы.

Залоговая стоимость стеклотары, которая входит в стоимость самой продукции делится между производителем и продавцом продукции. Населению достаются горы пустых бутылок и стеклотары на улицах, в общественных местах в виде мусора.

Можно, конечно, заставить производителей выпускать гостированную стеклотару, чтобы затем её собирать практически полностью, обеспечив приём стеклотары у населения, как это было во времена не столь отдалённые, но пока это, по - видимому, невозможно.

Хотя бы частично эту проблему можно решить, пустив стеклянные отходы на производство строительной товарной продукции.

Одним из таких видов продукции является стеклобетон.

В настоящее время наша строительная индустрия очень нуждается в дешёвых, качественных, энергосберегающих строительных материалах.

Развёртывание индивидуального строительства в массовых размерах невозможно без большого количества строительных материалов, отвечающих заявленным требованиям.

Стекло – это неорганическое соединение с очень высокими экологическими показателями. Стеклянная тара всегда относилась к таре высокой категории.

Известно о войнах строительных компаний на Западе, когда фирмы, производящие строительные материалы с применением алебастра, конфликтовали с компаниями, производящими строительные материалы на базе полимеров и новых химических составов и технологий, причём наличие асбеста в материалах увязывалось с ростом онкологических заболеваний, хотя известно, что алебастр – древнейший строительный материал.

Для производства бетона используются следующие компоненты:

    песок;

    цемент;

    заполнители (щебень, гравий, шлак);

    добавки;

    вода.

В нашем городе предприятий чёрной металлургии нет, теплоэлектростанции и котельные переведены на природный газ.

Шлак образуется при сжигании твёрдых видов топлива. В основном это каменные угли, сланцы, но котельные в нашем городе с такими видами топлива не работают, а потому шлак, как строительный материал, встречающийся раньше повсеместно, стал дефицитным материалом.

Карьеров и горных выработок у нас тоже поблизости нет, поэтому доставка железнодорожным транспортом щебня и гравия значительно увеличивает стоимость этих компонентов, необходимых для производства бетона, и без того очень дорогих.

В то же время материалы, которые можно использовать в качестве заполнителя при производстве бетона, находятся буквально у нас под ногами.

Таким материалом может быть стекло, которое можно извлекать из мусора, а также обеспечив приём любой стеклопосуды (бутылки, банки, битое стекло, пузырьки).

В последнее время дачники и огородники увлекаются возведением на своих участках теплиц из полимерных материалов, при этом разбираются старые теплицы, использующие стеклянное покрытие. В местах сбора отходов скапливаются горы стекла, которое также можно использовать при производстве бетона, что уже и делают сметливые хозяева огородных участков, использующие битое стекло при заливке фундаментов своих дачных сооружений.

Зачем покупать дорогой гравий и, тем более, щебень, когда можно дробить стекло и добавлять его в раствор, а затем, возведя опалубку под фундамент, выполнить заливку.

В городском строительстве можно делать то же самое при производстве железобетонных плит. Стекло обладает очень низкой теплопроводностью, а, значит, плиты станут «теплее», а горы стеклянного мусора станут востребованным строительным материалом. Кроме того, стеклянной дроблёнкой можно покрывать поверхность железобетонных панелей в момент их затвердевания. Дом, построенный из таких панелей, под действием уличного освещения, фар автомобилей будет светиться всеми цветами радуги, что придаст городу в вечернее время более нарядный и праздничный вид.

5. Планы и сроки реализации проекта.

В мае 2010 года во время проведения муниципального конкурса «Лучшая инновационная идея, технология для применения в деятельности субъекта малого и среднего предпринимательства города Глазова» под руководством Заместителя Главы Администрации г.Глазова, начальника Управления экономики и развития города Т.Г.Гафиатуллина и директора городского фонда поддержки малого предпринимательства Н.А.Трегубова совместная работа учителя физики и информатики Тихонова Игоря Васильевича и ученика 8«А» класса Корепанова Сергея (МБОУ «СОШ№2» г. Глазов) « Стеклобетон» получила второе место в конкурсе и денежную премию:

Тихонов И.В. – 500 рублей, Корепанов Сергей – 1000 рублей.

Частные предприниматели, занимающиеся производством железобетонных изделий идею реализовали.

Литература.

    Г. Е. Кричевский. Химическая технология текстильных материалов. Москва, МГУ, 2001, 540 с.

    Структурная окраска.Герман Евсеевич Кричевский, профессор, доктор технических наук, .

13.

Приложение 1. Основные ключевые понятия.

Интерференция света – результат наложения волн с последующим усилением или ослаблением интенсивности света.

Дисперсия света – это разложение солнечного света, имеющего белый цвет, на семь цветов радуги (красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый).

Чешуйки - крылья бабочек покрыты мельчайшими чешуйками (то, что все называют пыльцой, пыльца - это у цветочков, хоть бабочки и переносят пыльцу, но летать они и без неё могут, а без чешуек - нет).

Пигмент – окрашенное вещество в организме, участвующее в его жизнедеятельности и придающее цвет коже, волосам, чешуе, цветам, листьям.

Биоценоз – совокупность растений, животных, и микроорганизмов, населяющих данный участок суши или водоёма и характеризующихся определёнными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды.

Эволюция – процесс постепенного непрерывного количественного изменения, подготавливающий качественные изменения; вообще развитие.

Бионика – раздел кибернетики, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности организмов в целях постановки и решения новых инженерных задач.

Амплитуда – наибольшее отклонение колеблющейся по определённому закону величины от среднего значения.

Мимикрия – один из видов покровительственной окраски и формы, при которой насекомое, животное похожи на предметы окружающей среды, растения, на несъедобные растения или хищных животных.

Меланин – пигмент чёрного или коричневого цвета, широко распространены в растительных и животных тканях, определяют окраску кожных покровов (волос, перьев, чешуи).

Кератин – белки, составляющие основу рогового слоя кожи, волос, перьев, ногтей.

Биомеханика – изучает механические свойства живых тканей, органов, организма в целом.

Приложение 2. Бабочка может быть очень грозной. Не сердите бабочку – без урожая останетесь .

Нашествие белых бабочек в Удмуртии

В садах и огородах жители наблюдают массовое нашествие белых бабочек – Боярышницы . Боярышницы в большом количестве буквально облепляют кустарники и плодовые деревья.
Для информации:
Боярышница (Aporia crataegi), бабочка семейства белянок. Крылья в размахе до 65 мм, белые с чёрными жилками. Гусеница длиной до 45 мм, серовато-коричневая с полосками на спине. Распространена в умеренной и отчасти северной Евразии, в Северной Америке. Повреждает плодовые деревья. Бабочки вылетают в июне, яйца откладывают кучками по 30-150 штук на листья.

Гусеницы появляются в конце лета и скелетируют листья; зимуют на деревьях в гнёздах; весной расползаются из них и выедают почки, объедают листья, бутоны и цветки. Меры борьбы: сбор и сжигание зимних гнёзд; опрыскивание насаждений инсектицидами.

Хочется надеяться, что причин для беспокойства нет, дело в том, что все массовые имеют “волну жизни”, и эти бабочки Боярышницы не исключение. Обычно, подобный пик длится около двух-трёх лет. И сейчас как раз мы наблюдаем этот пик «волны жизни» Боярышницы, массового размножения этого вида насекомых в Удмуртии.
Для лесного хозяйства Боярышница не опасна, как считают специалисты, потому что в основном бабочка питается листьями боярышника и черемухи, а когда питания на всех насекомых не хватает, это наблюдается как раз в годы массового размножения, то насекомые переключаются на культурные виды растений: кустарники, плодовые деревья и в частности на малину. Опасны гусеницы, а не сами бабочки Боярышницы.
Нашествие этих насекомых может угрожать урожаю плодовых культур. Бороться с этими вредителями можно попробовать народными способами: опрыскивать растения растворами табака, полыни или чеснока.

Заключение.

Природные технологии - самые совершенные. Повторить их трудно, но начиная с 60-х годов ХХ века совместные исследования биологов, зоологов, физиков, химиков, математиков начали давать результаты в теоретической и практической биомиметике. В области колористики также начались первые попытки имитации структурной окраски. Безусловно, такая технология имела бы свои преимущества. Во-первых, синтез красителей - это довольно энергоемкое и малоэкологичное производство. Во-вторых, структурная краска устойчива к свету в отличие от традиционной, которая практически всегда выцветает со временем. Но пока структурная окраска - это новая сложнейшая нанотехнология с кучей нерешённых проблем.

Возможно решению многих физических, технических вопросов поможет знание национальных традиций, а романтизм, одухотворённость, воспроизведённые в верованиях и преданиях давно ушедших поколений, придадут решениям столь ценимую коллекционерами и тонкими ценителями старины патину древности.

Именно в эпоху Возрождения создавались самые грандиозные шедевры, навеянные древней мифологией и библейскими образами, делались самые смелые открытия. Неспроста сейчас активно изучаются и предпринимаются попытки воссоздать и реконструировать по сохранившимся в древних манустриптах чертежам аппараты, активно применявшиеся людьми во времена Древнего Египта, Древней Греции и Рима.

Часто с удивлением делаем для себя открытие, что люди тех эпох были нисколько не глупее нас, а порой их ум был куда более изворотлив, так как работать и творить им приходилось в более скудную материальными средствами эпоху. Именно наши предки, к нашему удивлению, подсказывают нам новые решения текущих проблем, протягивая руку помощи из глубины эпох, хотя мы порой признавать этого не хотим.

Схема крыла бабочки:
1 - корень крыла;
2 - передний (костальный) край;
3 - задний (анальный) край;
4 - вершина;
5 - привершинная (субапикальная) область;
6 - задний (анальный) угол;
7 - прикорневая (базальная) область;
8 - средняя (дискальная) область;
9 - постдис-кальная (субдискальная) область;
10 - прикраевая (субмаргинальная) область;
11 - краевая (маргинальная) область.

Далекие предки бабочек были бескрылы, а на месте крыльев у них были маленькие наросты, предохраняющие дыхательные щели от высыхания. На протяжении тысячелетий маленькие наросты постепенно увеличивались в размерах и превратились в крылья - перепончатые образования, служащие для полета. Красоту бабочек определяют форма, цвет и узор её крыльев. По два крыла, образованных двухслойной перепонкой, которая растянута на каркасе из жёстких жилок, крепятся к среднему и заднему сегментам груди насекомого. Крылья покрыты чешуйками, образующими на их поверхности пыльцу, - этого нет ни у каких иных представителей животного мира. Секрет фантастической красоты и поразительного разнообразия бабочек именно в чешуйках, цвет, структура и расположение которых определяют причудливость окраски. Сами же чешуйки - это изменённые волоски. Число чешуек на одном крыле может достичь миллиона.

По характеру окраски чешуйки делятся на пигментные и оптические. Цвет первых обусловлен содержанием в них пигмента - красителя. Каждая чешуйка содержит лишь один пигмент. Часто это меланины, которые придают чешуйкам чёрный и коричневый цвета. Меланины вырабатываются самой бабочкой, но другие пигменты могут быть получены и из веществ, входивших в меню гусениц. Так, зелёный пигмент - из съеденного ими с листьями хлорофилла. Жёлтая и красная окраска бабочек (кроме белянок) связана с питанием растениями, содержащими каротин, окрашивающий, например, морковь. Хотя пигментная окраска и бывает очень яркой, она всегда матовая и лишена блеска. Металлическое переливчатое сияние крыльям многих дневных бабочек, особенно тропических, придают чешуйки оптические. В них нет пигмента, а причина блестящей металлической окраски и сияющих цветных переливов в том, что белый свет, преломляясь в полых тонких чешуйках, разлагается на отдельные цвета спектра.

Приобретение в процессе эволюции крыльев и способности к полету позволило бабочкам передвигаться на значительные расстояния в поисках корма (увеличилась площадь поиска), а в отдельных случаях спасаться в воздухе от наземных хищников. Чем больше площадь крыльев, тем удобнее они для долгого, спокойного парения. Однако увеличение крыльев и в связи с этим увеличение общих размеров тела, ни в коей мере не повлиявшее на их оборонительные качества, в то же время сделало заметными бабочек для многих хищников. Поэтому некоторые виды бабочек остановились в своем развитии с относительно короткими крыльями, что делает их, с одной стороны, менее заметными, а с другой, более искусными и увертливыми летунами.
Другие виды бабочек пошли иным путем развития. Они имеют большие крылья, разукрашенные в самые разнообразные цвета и при этом как-то умудряются выживать. Дело тут в том, что бабочки летают над цветущими лугами и лесными полянами, на которых растут такие же яркие и пестрые цветы. Хищнику трудно обнаружить этих красавиц, так как на фоне пестрых цветов бабочки становятся почти незаметными благодаря своей окраске.
У большинства яркоокрашенных видов бабочек есть еще один вид защиты: крылья окрашены в разные цвета. Если верхняя часть крыльев окрашена ярко и броско, то изнанка - в серо-коричневые тона. Стоит бабочке усесться на растение и сложить крылья, как их яркая окраска тут же сменяется неброской, обычно одноцветной окраской изнанки. Так, у бабочки павлиний глаз большие пятна на раскрытых крыльях переливаются всеми цветами - от коричневого или черного до желтого или красного, а изнанка окрашена в скромные черно-коричневые тона.

У большинства ночных бабочек крылья имеют в основном серый цвет, с неброским, но часто сложным рисунком из черных черточек и точек. Днем они сидят на коре деревьев, в ветвях или под камнями и почти совершенно сливаются с этим фоном.
Есть ночные бабочки, у которых только верхние крылья окрашены в серые тона, нижние же крылья окрашены в яркий, например красный, цвет. Такие бабочки используют другой способ защиты, при котором очень активно используются крылья. Они имеют яркую отпугивающую окраску, благодаря которой повышают свои шансы на сохранение жизни, так как многие хищники боятся яркой, бросающейся в глаза окраски, во многих случаях связанной с какой-то опасностью.
К таким бабочкам относятся некоторые бабочки-медведки, у которых верхние крылья окрашены в белые и коричневые тона, а нижние - ярко-красного цвета с черными пятнами. Обычно бабочка сидит так, что передние, незаметные на окружающем фоне, крылья прикрывают задние. В момент опасности она шевелит передними крыльями, и из-под них вспыхивают огненно-красные блики, часто акцентируемые синим или черным рисунком. Быстрая смена рисунка пугает нападающего.
У бабочек-ленточниц верхние крылья серовато-бурые со множеством полосок, линий, пятнышек. Когда ленточница садится вдоль ствола дерева и складывает крылья «домиком», она буквально сливается с цветом и рисунком коры. Есть бабочки, которые имеют ложные головы, глаза и усики на задней части тела, чтобы таким образом предохранить от повреждения настоящую голову и органы чувств.

У всех ли бабочек есть крылья?
Стеклянницы при первом полете теряют большую часть чешуек с крыльев, которые становятся светлыми и почти прозрачными. Крылья мелких ночных многоплюмажных бабочек напоминают отделанный бахромой веер. У самок пяденицы-обдирало и некоторых волнянок имеются лишь недоразвитые остатки крыльев. У червеобразных самок мешочниц нет не только крыльев, но и ног. А у самцов этих нелетающих бабочек крылья развиты нормально.

Популярные новости

Из всех насекомых бабочки пользуются наибольшей известностью. Вряд ли найдется на свете человек, который не восхищался бы ими так же, как восхищаются красивыми цветами. Недаром в древнем Риме верили в то, что бабочки произошли от цветов, оторвавшихся от растений. Во всех уголках мира есть любители, коллекционирующие бабочек с не меньшей страстностью, чем другие коллекционеры собирают произведения искусства.

Красота бабочки в ее крыльях, в их разнообразных расцветках. В то же время крылья — важнейший систематический признак отряда: они покрыты чешуйками, от структуры и расположения которых зависит причудливость окраски. Поэтому бабочек и называют чешуекрылыми. Чешуйки представляют собой измененные волоски. В этом легко убедиться, если внимательно рассмотреть чешуйчатый покров бабочки аполлона (Parnassius apollo).

По краю крыла находятся очень узкие чешуйки, почти волоски, ближе к середине они расширены, но концы их остры, и, наконец, еще ближе к основанию крыла сидят широкие чешуйки в виде сплюснутого, полого внутри мешочка, прикрепленного к крылу посредством тонкого короткого стебелька. Чешуйки располагаются на крыле правильными рядами поперек крыла: концы чешуек обращены к боковому краю крыла, а их основания прикрыты черепицеобразно концами предыдущего ряда.



Окраска чешуйки зависит от находящихся в ней пигментных зерен; наружная поверхность ее ребристая. Помимо таких пигментных чешуек, у многих видов, особенно тропических, крылья которых отличаются переливающейся металлической окраской, имеются чешуйки иного типа — оптические. В таких чешуйках отсутствует пигмент, а характерная металлическая окраска возникает благодаря разложению белого солнечного луча на отдельные цветные лучи спектра при прохождении его через оптические чешуйки.

Это разложение лучей достигается преломлением их в скульптуре чешуек, обусловливающим перемену цвета при изменении направления, по которому падают лучи. Особый интерес представляют пахучие чешуйки, или андроконии, встречающиеся преимущественно у самцов некоторых видов бабочек. Это измененные чешуйки или волоски, связанные с особыми железками, выделяющими пахучий секрет. Андроконии располагаются на разных частях тела — на ногах, крыльях, на брюшке.

Распространяемый ими запах служит приманкой для самки, обеспечивая, таким образом, сближение полов; часто он бывает приятным, напоминающим в ряде случаев аромат ванили, резеды, земляники и т. д., но иногда он может быть и неприятным, например вроде запаха плесени. Следует подчеркнуть, что для каждого вида бабочек характерны и форма, и оптические и химические свойства находящихся на крыльях чешуек. В редких случаях чешуйки на крыльях отсутствуют, и тогда крылья кажутся совершенно прозрачными, как это имеет место у стеклянниц.

Обычно у чешуекрылых развиты все четыре крыла; однако у самок некоторых видов крылья могут недоразвиваться или совсем отсутствовать. Передние крылья всегда больших размеров, чем задние. У многих видов обе пары крыльев сцепляются друг с другом при помощи особой зацепки, или «уздечки», представляющей собой хитиновую щетинку или пучок волосков, одним концом прикрепленных на верхней стороне переднего края заднего крыла, а другим концом входящих в карманообразный придаток на нижней стороне переднего крыла. Могут быть и другие формы оценочных механизмов, соединяющих переднее и заднее крыло.



Не менее характерным признаком, чем структура крыльев и покрывающих их чешуек, являются ротовые органы бабочек. В преобладающем большинстве случаев они представлены мягким хоботком, способным свертываться и развертываться наподобие часовой пружины. Основу этого ротового аппарата составляют сильно удлиненные внутренние лопасти нижних челюстей, которые и образуют створки хоботка. Верхние челюсти отсутствуют или представлены небольшими бугорками; сильной редукции подверглась и нижняя губа, хотя ее щупики развиты хорошо и состоят из 3 члеников. Хоботок бабочки очень эластичен и подвижен; он прекрасно приспособлен к питанию жидкой пищей, каковой в большинстве случаев служит нектар цветов.

Длина хоботка того или иного вида обычно соответствует глубине расположения нектара в тех цветках, которые посещают бабочки. Так, на Мадагаскаре произрастает одна интересная орхидея (Angraecum sesquipedale) с глубиной венчика 25—30 см. Она опыляется длиннохоботным бражником (Macrosila morgani), имеющим хоботок длиной около 35 см. В некоторых случаях источником жидкой пищи чешуекрылых могут служить вытекающий сок деревьев, жидкие экскременты тлей и другие сахаристые вещества. У некоторых бабочек, которые не питаются, хоботок может быть недоразвит или совсем отсутствовать (тонкопряды, некоторые моли и др.).

У бабочек две пары крыльев - именно в них красота этих хрупких созданий. У бабочек обе пары крыльев летательные; надкрыльев, характерных для жуков и прямокрылых, нет. По природе своей крыло двухслойно и образовано верхней и нижней боковыми складками тела.

Крылья иссечены продольными и поперечными жилками, трубковидными расширениями пластинки крыла. Жилки выполняют двоякую функцию: во-первых, каркасную, во-вторых, в полости трубок проходят трахеи и нервные волокна. По форме крыльев и расположению жилок в основном происходит распознавание видов и дифференциация. На рисунке представлена схема жилкования крыла: Sс - субкостальная жилка, R - радиальные, М - медиальные, Сu - кубитальные, А - анальные жилки.

Крылья покрыты чешуйками, образующими на их поверхности пыльцу, - этого нет ни у каких иных представителей животного мира. Это видоизменённые волоски, имеющиеся на крыльях многих насекомых. Количество чешуек может быть очень велико - несколько сотен тысяч у некоторых видов!

Форма и назначение чешуек различны. Прежде всего существуют пигментные и оптические чешуйки, определяющие окраску крыльев. Первые содержат красящее вещество меланин и отвечают за основную расцветку. А вторые, пропуская лучи света сквозь собственную структуру, преломляют их, вызывая явления интерференции (по принципу призмы). Вот почему под разными углами освещения крылья бабочки приобретают новые цвета и оттенки. Благодаря этому крылья бабочек делаются металлически-блестящими и переливающимися - особенной красотой отличаются они у тропических бабочек.

Чешуйки, уложенные на крыле бабочки, подобно черепице на крыше дома, часто ярко окрашены и образуют линии, пятна, полосы, разводы - всё то, что называют «рисунком крыла» (см. схему ниже). Количество и расположение деталей рисунка различно даже у близких видов. Глазки, лунки, пятна и перевязи могут менять своё расположение, смещаться в несвойственные им места или просто исчезать. Таким образом в основном и определяют бабочек - ведь рисунок каждой бабочки неповторим.

Окраска крыльев самцов и самок бабочек часто совершенно различна. Это явление биологи называют половым диморфизмом в окраске. Более того, редко, но встречаются особи, сочетающие в себе крылья обоих полов: слева - с расцветкой самца, справа - самки, или наоборот. Такие генетически искажённые экземпляры носят название «гинандроморфы» .

Удивительны пахучие, или андрокониальные, чешуйки. Чтобы молекулы душистого вещества легче испарялись с поверхности крыла, кончики этих чешуек заканчиваются кисточкой волосков. В период брачных церемоний одни бабочки при встрече ищут усиками пахучие чешуйки и по их аромату выбирают своего партнёра. И расстояние не преграда: самцы находят подруг по запаху за несколько километров! Иногда запах бабочки настолько сильный, что его может ощутить и человек.

Каждое правило в природе имеет исключения. Существуют виды, у которых чешуйки остались только по краям крыльев и вдоль жилок. К таким бабочкам относятся, например, стеклянницы и бражники-шмелевидки. Их брюшко раскрашено яркими черно-жёлтыми полосами и в сочетании с прозрачными узкими крыльями делает этих насекомых похожими на ос или шмелей. Есть, наконец, бабочки, совсем лишённые способности летать. Так бескрылыми являются самки пяденицы-обдирало, одноцветной и улиткообразной мешочниц, кистехвостов, некоторых коконопрядов. Они очень мало похожи на бабочек, скорее напоминая червячков. Поэтому встречу полов у этих видов обеспечивают крылатые самцы.