Ciemnik czarny i jego receptory ognia
Owady pirofilne
Pod koniec maja 2018 roku głośne się stały pożary w Szwecji, w których gaszeniu brali udział również polscy strażacy. Właściwie każdego roku ogień stwarza zagrożenie w lasach na całej kuli ziemskiej. Czy można temu zapobiec? I czy istnieje coś, co mogłoby pomóc w wynalezieniu nowych technologii wykrywania niebezpieczeństwa?
Portret ciemnika czarnego
Ciemnik czarny (Melanophila acuminata) to chrząszcz z rodziny bogatkowatych. Ma czarno-szare podłużne ciało, które ciężko dostrzec w jego naturalnym środowisku, którym jest… spalony las.
Żuk ten zalicza się do owadów pirofilnych. Oznacza to, że żeruje i rozmnaża się tam, gdzie wcześniej szalał pożar. Dlaczego?
1. Po pierwsze, ciemnik składa jaja w drzewach. Jeśli zrobi to w żyjącej roślinie, jej twarde, rosnące tkanki zmiażdżą wszystkie larwy. Poza tym, żywica i soki wydzielane przez drzewa również zabijają cały przychówek żuków. Z czego wniosek, że dla tych owadów najlepsze drzewa to martwe, spalone drzewa.
2. Po drugie, mały ciemnik ma sporo naturalnych wrogów. Gdy jednak temperatura się podwyższa, drapieżniki uciekają w popłochu a te, które nie zdążą, po prostu giną. Chrząszcz korzysta z takiej sytuacji, by spokojnie skupić się na rozmnażaniu.
3 Po trzecie spalone ciała innych owadów i małych zwierząt są dla ciemnika czarnego pokarmem.
By jednak móc osiedlić się w miejscu pożaru, najpierw trzeba je znaleźć. Gatunek ten potrafi wykryć ogień z dużej odległości i przemieścić się na ogarnięte pożogą tereny w chwili, gdy już nic mu nie zagraża. W jaki sposób?
Słyszy i czuje pożar
Podczas pożaru lasu powstaje nie tylko ogień, gorąco i dym, ale też promieniowanie podczerwone i lotne związki chemiczne. To właśnie te czynniki przyciągają ciemnika czarnego na miejsce pożogi.
Receptory temperatury i promieniowania
Owad ten wykorzystuje dwa „wykrywacze”. Pierwszy ma postać jamek położonych przy środkowej parze odnóży chrząszcza, tuż pod skrzydłami Receptory, które się w nich znajdują, są wyczulone na wysoką temperaturę i promieniowanie podczerwone. Mają one postać drobnych kuleczek z kutykuli (materiału, który jest jednocześnie budulcem pancerza chrząszcza), połączonych razem i wypełnionych płynem, w środku których znajdują się komórki sensoryczne. Przy wzroście temperatury płyn się rozszerza i napiera na zakończenie nerwowe dające sygnał do mózgu. Ten mały ruch jest od razu zauważalny przez chrząszcza, tak jak ludzkie ucho reaguje na fale akustyczne.
Można więc powiedzieć, że ciemnik czarny „słyszy” pożar. Co więcej, aby przekonać się, czy wykryte zwiększenie temperatury rzeczywiście ma związek z ogniem, żuk wznosi się w powietrze uderzając skrzydłami i „obserwując” reakcję receptorów. Fałszywy alarm może mieć związek z innym źródłem ciepła, ale prawdziwy pożar sprawia, że sygnały podczas lotu są intensywniejsze i wyznaczają kierunek.
Chemoreceptory
Drugi wykrywacz to czułki żuka wyposażone w specjalne chemoreceptory odpowiadające na fenole wydzielane podczas spalania lasu. Dzięki nim ciemnik potrafi wyczuć w powietrzu najmniejszą ilość lotnych związków powstałych przy spalaniu jego ulubionych drzew. Ten mały owad umie rozpoznać olejki eteryczne wydzielane przez poszczególne rośliny a zapach jednego tlącego się drzewa może zwietrzyć na kilometr.
Naukowcy odkryli, że receptory ciemników czarnych działają nawet w odległości 130 kilometrów i potrafią wyczuć promieniowanie podczerwone wielkości jednego fotona.
Co więcej, ich detektory są czułe na różnicę temperatur i podczas lotu „podpowiadają” chrząszczom, gdzie mogą bezpiecznie wylądować, by się nie spalić (żuki te mogą wytrzymać temperaturę do 55ºC).
Czy bliższe poznanie tych owadów może przynieść ludziom coś dobrego?
Inspiracje do nowych technologii
Ogień to niszczycielski i wyjątkowo niebezpieczny żywioł. I choć naturalne pożary, zwłaszcza lasów borealnych (północnych) przynoszą czasem korzyści światu roślin i zwierząt (jak w wypadku ciemnika czarnego lub pewnego gatunku sosny, której nasiona otwierają się tylko w wysokich temperaturach), to jednak ich rozprzestrzenianie się zagraża ludziom. Wczesne wykrywanie takich zjawisk daje szansę na szybkie ugaszenie i zahamowanie rozprzestrzeniania się pożaru.
Jednak w jaki sposób monitorować wielkie i dzikie obszary leśne? Same obserwacje z powietrza to za mało. Helikopter może bowiem nadzorować obszar nie większy niż 20 kilometrów, podczas gdy lasy na świecie zajmują obszar prawie 4 miliardów ha! Potrzebne są więc nowe rozwiązania. Na ich trop wpadli inżynierowie projektujący detektory ognia.
Obecnie dostępne czujniki promieniowania podczerwonego pozostawiają wiele do życzenia. Same wydzielają sporo ciepła i muszą być chłodzone, co z kolei niesie za sobą duże koszty. Naukowcy postanowili więc ulepszyć te urządzenia na podstawie obserwacji ciemników czarnych.
1. Po pierwsze, dążą oni do uzyskania temperatury pokojowej detektorów. Chrząszcze przecież nie przegrzewają się, chociaż odbierają informacje o wysokiej temperaturze.
2. Po drugie, badacze postanowili wyposażyć detektory w czujniki związków chemicznych powstających podczas pożaru lasu, które potrafią odróżniać substancje lotne. Wzorem dla tych czujników były czułki chrząszczy.
3. Po trzecie, inspirując się receptorami odkrytymi w jamkach żuków, tworzy się prototypy detektorów wykrywających wysokie temperatury.
Tak wyposażone czujniki przeciwpożarowe są już w fazie testów. Trwają też prace nad rozpowszechnieniem tej technologii i jej zastosowaniem nie tylko w sferze lasów, ale też w liniach produkcyjnych, instalacjach przemysłowych i podczas prac budowlanych.
Ciekawostki
- W Europie dochodzi co roku do około 55 000 pożarów lasów.
- Ponieważ w Polsce rzadko palą się lasy, ciemnik czarny jest u nas sporadycznie spotykany.
- Owad ten zamieszkuje głównie drzewa iglaste, takie jak sosny, świerki, jodły i jałowce oraz liściaste: dęby, buki, brzozy.
- Dojrzałe owady zazwyczaj wygrzewają się na ciepłych jeszcze, nadpalonych pniach, podczas gdy ich larwy żerują pod korą.
- Choć ciemnik czarny odkryty został w 1774 roku, to XXI wieku przyniósł rozkwit badań nad jego właściwościami wykrywania pożarów. Istotną pracą powstałą w wyniku badań nad ciemnikami jest Infrared spectral sensitivity of Melanophila acuminata.
Polecamy
