Van-e légörvénysor a zebracsíkok fölött? – A zebrák léghűtőjének kísérleti cáfolata

Tudósok régóta vitatkoznak a zebracsíkok lehetséges biológiai szerepeiről. Az egyik hipotézis szerint, napsütésben a zebracsíkok fölött periodikus konvektív légörvények keletkeznek, amelyek hűtik a testet. Azonban ilyen föl-leáramlásokból álló örvénysor kialakulásának lehetőségét még nem vizsgálták kísérletileg. Laboratóriumi Schlieren-képalkotással azt találtuk, hogy a napfényt utánzó erős fénnyel megvilágított sima vagy szőrös csíkos felületek fehér csíkjai fölött nem formálódnak lefelé irányuló légáramlások a feltételezett örvénysor részeiként. A csíkok hatása a légáramlások formálódására feláramlások elősegítése és azok vízszintes sodródásának gátlása formájában a felület fölött néhány cm-nél magasabban már elhanyagolható. Habár szélcsendben a napsütötte zebracsíkok fölött feláramlások alakulnak ki, azokat a leggyengébb szél is elfújja, vagy akár a zebra leglassúbb mozgásakor ébredő ellenszellő is szétrombolja. E kísérleti eredmények cáfolják a hűtő hatású légörvénysorról szóló feltételezést.

A hűtő hatás hipotézise

Napsütötte zebrák infravörös fényképein a fekete csíkok melegebbek a fehéreknél, az utóbbiak kisebb fényelnyelése okán, és a hőmérséklet-különbségük a léghőmérséklettel együtt nő, míg éjjel a fekete csíkok hidegebbek a fehéreknél az előbbiek erősebb kisugárzása miatt. Napsütésben a fekete csíkok fölött felszálló meleg légáramlások alakulhatnak ki, amelyeket oldalról a hidegebb fehér csíkok fölött leszálló hűvösebb levegő pótolhat, legalábbis az elterjedt hipotézis szerint (1A ábra). Elvileg ezen állítólagos konvektív légörvények hűtő hatásúak lehetnek azáltal, hogy a meleg levegőt elvezetik a melegebb fekete csíkokról. E légkonvekció gyorsíthatja továbbá a zebrabőr izzadságának párolgását is, ami szintén hűti a zebrát. Lényegében két ellentétes vélemény viaskodik már évtizedek óta a zebrák szóban forgó feltételezett hőszabályzásáról, vagyis a hátoldali csíkok általi léghűtésről:

Néhány szkeptikus kutató olyan elméleti érveket és/ vagy kísérleti adatokat közölt, amelyek nem támogatják a zebracsík általi hipotetikus hűtő hatást: Caro [1] infra­kamerás mérései szerint a napsütötte zebrák testfelszíni hőmérséklete nem alacsonyabb a mellettük élő olyan nap­sütötte növényevőkénél, mint például a zsiráfok, impalák és bivalyok. Ugyancsak ő vélte, hogy a terepen nappal szin­te örökké fújó szél könnyen szétrombolhatja a napsütötte zebrák fölötti esetleges konvektív légörvénysort. Ráadásul, ha szélcsendben ilyen örvénysor ki is alakulna egy nyuga­lomban álló zebra fölött, az gyorsan szétesne, amikor az állat elkezd mozogni legeléskor vagy futáskor.

Horváth és társai [2] kísérletileg cáfolták a zebracsí­kok általi hűtést. Egy nyári termodinamikai terepkí­sérletben a zebratestet vízzel töltött fém hordókkal modellezték, amelyeket homogén fekete, szürke vagy fehér, illetve fekete-fehér csíkos ló-, szarvasmarha- és zebrabőrrel vonták be. E hordók három hónapig voltak szabad ég alatt, miközben a vizük maghőmérsékletét folyamatosan mérték. A csíkos ló-,hordók és a velük hasonló átlagszürkeségű hordók maghőmérsékletei között nem volt szignifikáns különbség még a legfor­róbb nyári napokon sem, függetlenül a léghőmérsék­lettől és szélsebességtől. E kísérleti eredmény szerint a zebracsíkos kültakaró nem tartja a testet hűvösebben a hasonló átlagszürkénél.

Mindezzel szemben, több kutató is hisz a napsütötte zebracsíkok fölött formálódó légörvénysorban és azok hűtő hatásában, de csak néhányuk rukkolt elő e hipoté­zist szerintük támogató adatokkal. Larison és társai [3] azzal vélték bizonyítottnak a zebracsíkok hűtő szere­pét, hogy a csíksűrűség pozitívan korrelál az elterjedési terület átlaghőmérsékletével: minél több az egységnyi testfelületre eső csík, annál melegebb a zebrák élőhe­lye. Mivel azonban nem vizsgálták a léghőmérséklet és például a zebrák izzadással történő önhűtésének hatékonysága (ami a zebrák életterében élő más, nem csíkos állatoknál szükségtelenné teszi a csíkok általi hűtést) közti összefüggést, ezért e pozitív korreláció nem bizonyítja a csíkok hűtő hatását. Cobb és Cobb [4] Kenyában napsütéses napokon mérték a zebrák fekete és fehér csíkjai közti maximális ΔT_max hőmérséklet-kü­lönbséget, ami élő zebrákon ΔT_max = 12-15 ^oC volt, míg kikészített zebrabőrökön 16 ^oC. Véleményük szerint a lófélék latherin nevű fehérjéje lecsökkenti a zebra iz­zadságának felületi feszültségét, ami elősegíti az izzad­ság szőrökön történő párolgását s ezzel a test hűtését. Habár az eredeti hipotézis periodikus konvektív légör­vénysor általi hűtésről szólt, Cobbék [4] feltételezése szerint a szomszédos fekete és fehér csíkok közti hirte­len hőmérsékletugrás kaotikus légmozgást idézhet elő a szőrök fölött, ami erősítheti a párolgásos hőel­vonást. Azt is feltételezték, hogy e párolgásos léghű­tés hiánya okozhatja a ΔT_max élettelen zebrabőrökön tapasztalt nagyobb értékét, szemben az élő zebráké­val. Azt is megfigyelték, hogy a fekete csíkok szőrei a fehér csíkokéitól függetlenül képesek felállni, ami tovább erősítheti az izzadság párolgását. Szerintük mindez arra utalhat, hogy a zebracsíkok elsődleges szerepe az említett hűtési mechanizmussal történő hőszabályozás lehet.

Segítenek a csíkos képek

Azonban a napsütötte szomszédos fehér és fekete zebracsíkok közti hőmérséklet-különbségek egy­szerű mérésével nem válaszolható meg a kérdés, hogy napsütésben a zebracsíkok képesek-e vagy nem konvektív légörvények kialakulását elősegíteni. Ha­bár Horváth és társai [2] cáfolták a zebracsíkok hűtő hatását, terepkísérletük nem adott választ arra, hogy konvektív légörvények ki tudnak-e alakulni a zebracsí­kok fölött, s ha igen, akkor mennyire stabilak. A zeb­racsíkok fölötti légörvények általi hűtés lehetősége a következő módszerrel tanulmányozandó: A napsütöt­te csíkok fölötti konvektív légörvények formálódását Schlieren-optikával kell bizonyítani görbült tesztfelü­leteken, a szomszédos fekete és fehér csíkok közti több eltérő hőmérsékletkülönbség és szélsebesség mellett, utánozva a zebrák életkörülményeit. Laborkörülmé­nyek között ezt végeztük el. Cikkünkben az eredménye­inkről számolunk be, amelyek cáfolják a napsütötte zebrák léghűtőjét a csíkos hátuk fölötti légörvénysor hiányának kimutatásával [5].

8 sima (kartonpapírból készített) és 10 szőrös, egy­színű vagy különböző csíkvastagságú tesztfelülete­ket használtunk (15 cm × 15 cm). Mindegyik felület hengeres (hossz: 15 cm, sugár: 7 cm) volt a zebrahát görbületének modellezése céljából. A szőrös felületek szarvasmarha, ló és zebra bőréből készültek és eltérő szőrhosszal bírtak.

A megvilágított tesztfelületek fölötti légáramlásokat Schlieren-optikával vizsgáltuk. E Robert Hooke (1635–1703) angol fizikus által 1665-ben feltalált módszerrel a le­vegő (vagy bármely más átlátszó légnemű vagy folyékony közeg) hőmérsékletfüggő térbeli és időbeli törésmutató­-változásait lehet láthatóvá tenni. A mérés elvét a 2. ábra mutatja [6]: Ha egy pontszerű fényforrást egy parabola­tükör fókuszpontjába helyezünk, akkor a tükörre eső széttartó fénysugarak a visszaverődésük után egymás­sal párhuzamossá (kollimálttá) válnak. E kollimált fény­nyaláb egy másik parabolatükör fókuszpontjába gyűjt­hető. Ha e 2. fókuszpont mögé egy fényképezőgépet vagy egy fehér ernyőt helyezünk, akkor egyenletesen világos képet kapunk, amennyiben a kollimált fénynyaláb útjá­ban csak a homogén hőmérsékletű, s így állandó törés­mutatójú levegő van. Helyezzünk egy függőleges pengét közvetlenül a 2. fókuszpont jobb oldalára, és tegyünk a párhuzamos fénynyalábba egy gyertyalángot, ami fölmelegíti a mellette és fölötte lévő levegőt, így lecsök­kenti annak törésmutatóját, míg a környező hidegebb levegőé változatlan marad. Ekkor a láng jobb/bal oldala mellett elhaladó fénysugarak az ottani melegebb leve­gő kisebb törésmutatója miatt kissé jobbra/balra elté­rülve esnek a 2. tükörre, ahonnan visszaverődve annak fókuszpontja mellett kissé balra/jobbra haladnának el a penge hiányában. De a fókuszpont jobb oldalán lévő penge kiszűri a lángot balról kerülő, a fénytörés miatt balra térülő, és a fókuszpont mellett ezért jobbra elha­ladni „szándékozó” sugarakat, miáltal azok nem érik el az ernyőt vagy a fényképezőgépet, ennél fogva a képen a lángtól balra egy fényhiányos sötétebb sáv alakul ki. A lángot jobbról kerülő, a fénytörés miatt jobbra térülő, és a fókuszpont mellett ezért balra elhaladó sugarak el­lenben a fénytörést nem szenvedőkkel együtt elérik az ernyőt/kamerát, ezért a képen a láng jobb oldalán egy fénybő, világosabb sáv keletkezik. Mindez nemcsak a láng mellett érvényes, hanem fölötte, egy függőleges sáv­ban is a felszálló melegebb, kisebb törésmutatójú légoszlop okán. Elég lenne egyetlen tükör is, de e módszer annál pontosabb, minél hosszabb a fényút, amit két tükörrel szokás növelni, amikor is kisebb törésmutató-eltérések is láthatóvá tehetők.

A föntiekből kifolyólag a Schlieren-kép fényintenzi­tás-különbségei, azaz a fehértől a feketéig terjedő szürke árnyalatai a levegő hőmérsékletfüggő törésmutató-kü­lönbségeit szemléltetik. E módszer neve a német „Sch­liere” (csík) szóból ered, ami az említett sötét/világos csíkokra utal, mely elnevezést az angol tudományos világnyelv is átvette s máig megtartotta a némettől el­térően kis kezdőbetűvel, cikkünkben viszont a német nagy S kezdőbetűs írásmódot használjuk.

Az eredményül kapott Schlieren-felvételeken a tesztfelületek csíkjaival korreláló, közel függőleges sötét-világos csíkpárokat kerestünk, melyek a feltéte­lezett légörvények létét igazolnák. A pontszerű fény­forrás egy fehér fényű dióda (LED, 3 W, 4000 K) volt. A Schlieren-videókat egy Nikon D5600 DSLR fényképe­zőgéppel készítettük (Full HD, 1920 × 1080 képpont). A 2. parabolatükör fókuszában lévő penge függőleges volt, így a fénytörés vízszintes komponense játszott szerepet a Schlieren-vizualizációban. A teszfelületeket egy napfényt utánzó, fehér fényű halogénlámpa (400 W, 3500 K) világította meg függőlegesen felülről. A céltárgy alatt egy vízszintes tükör gátolta meg a rezgésmentes tartóasztal lapjának melegedését. A Schlieren-méré­seket a lámpa bekapcsolása után 5 perccel kezdtük, amikor a tesztfelületek hőmérséklete már állandósult. Mindezt egy laborban végeztük, amiben csak igen gyen­ge volt a légmozgás, amit nem lehetett kiküszöbölni a mérést folytató személy szükséges jelenléte miatt.

Mesterséges szél és lepkemakett

Annak szemléltetése céljából, hogy a gyönge szelek mennyire befolyásolják a megvilágított tesztfelülete­ink fölötti légáramlásokat, egy légsűrítővel keltett vízszin­tes légáramlatot fújtunk a felületek fölé. A tesztfelületek fölött kialakult felszálló légáramlatok instabilitásának szemléltetése végett egy 4,5 cm szárnyfesztávú, kartonból készült, cérnáról lógó lepkemattet mozgattunk föl-le és lengettünk jobbra-balra a tesztfelületek fölött. Egy korábbi terepkísérletünkben [2] automatikus meteo­rológiai állomással mértük a nyári hónapokra jellem­ző szélsebességeket és léghőmérskéleteket a talajtól 1 m magasságban. A laboratóriumi Schlieren-méré­sek során a terepen is alkalmazott kanalas szélmé­rőt használtuk az általunk keltett szél sebességének mérésére.

A mesterségesen megvilágított tesztfelületeink hő­kamerával (VarioCAM, Jenoptik Laser Optik Systeme GmbH, Jena) készített hőképeinek (3. ábra) és napsü­tötte lovak meg zebrák korábbi terepvizsgálataink alkalmával rögzített hőképeinek összehasonlításával megbizonyosodtunk arról, hogy a tesztfelületeink la­boratóriumi termikus jellemzői jól utánozták napsü­tötte lovak és zebrák testfelszíni hőmérséklet-eloszlá­sait. Például minél szélesebbek voltak a zebracsíkok, annál nagyobb volt a szomszédos fekete és fehér csí­kok közti hőmérséklet-különbség.

Sima és szőrös felületek

A fénnyel melegített sima tesztfelületeken csakis fel­szálló légáramlások keletkeztek, amelyek jónéhánya vízszintes irányban többé-kevésbé sodródott. A meleg levegő a görbült felülethez tapadva annak mentén áramlott fölfelé, míg elérte a hengerfelület legmaga­sabb vonalát, ahol a jobbról és balról érkező meleg áramlat egyesült, majd a felülettől elszakadva a ma­gasba emelkedett. Ez volt a helyzet mindegyik csíkos tesztfelületnél, függetlenül a csíkok irányától, vas­tagságától és érdességétől (sima vagy szőrös). Mind­ez ellentmond az eredeti hipotézisnek (1A ábra), ami szerint a napsütésben melegebb fekete csíkok fölötti felszálló és a hidegebb fehér csíkok fölötti leszálló áramlásokból egy periodikus légörvénysor formáló­dik. A napsütötte zebrák és egyszínű négylábúak fö­lötti, Schlieren-optikával igazolt valódi légáramlási viszonyokat az 1B-D ábra szemlélteti. Azt is megfigyel­tük, hogy a szomszédos fekete és fehér csíkok határ­vonalai katalizálják a felszálló légáramlatok kialaku­lását, ami leginkább az 1 cm-es csíkvastagságra volt jellemző.

A megvilágított rövidszőrű tesztfelületek fölötti légáramlások viselkedése a simák fölöttiekéhez volt hasonló (4. ábra). Azonban úgy az egyszínű, mint a csíkos hosszúszőrű felületeknél (4C-F ábra) a szőrszá­lak jobban segítették a felszálló légáramlások kiala­kulását, mint a sima felületű csíkok határvonalai. A hosszú szőrök apró csúcsai megkönnyítették a fel­szálló meleg áramlatok elszakadását a felülettől. To­vábbá a hosszú szőrök a csíkhatárokhoz képest haté­konyabban tompították a feláramlások oldal irányú sodródását. A hosszú- és rövidszőrű csíkokból álló tesztfelületeknél mindig a hosszúszőrű csíkok fölött alakultak ki feláramlások (4C-F ábra), amelyek stabi­labbak voltak a hosszúszőrű felületek fölött, mint a rövidszőrűek fölött.

Már egy lepkeszárny csapkodása is romboló hatású

Az 1,6 bar nyomással működő szélgenerátorunkkal 1,5 m távolságból keltettünk olyan gyenge légáram­lást a megvilágított tesztfelületink fölött, hogy a közvetlenül melléjük helyezett szélmérő kanala nem tett meg egy teljes fordulatot, ami névlegesen 0 km/h szélsebességet jelent. De még ezen igen gyönge oldal­szellő is elég volt ahhoz, hogy a zebracsíkos teszt­felületeinkről felszálló légáramlatokat elfújja, szét­rombolja (5A ábra). Amikor a tesztfelületek fölött a lepkemakettet mozgattuk föl-le, vagy lengettük jobbra-balra, ugyanezt tapasztaltuk (5B, C ábra). Mindez jól mutatja, hogy a napsütötte zebrák fölött kialakuló feláramlásokat a leggyengébb szelek is teljesen szétzilálják.

Schlieren-optikás méréseinkkel tehát kísérleti bizo­nyítékot kaptunk arra, hogy napsütötte zebracsíkok fölött nem keletkezik konvektív légörvénysor. Így a zebracsíkok funkciója nem lehet e nem létező légörvé­nyek általi hűtés. Bebizonyosodott az is, hogy a napsü­tötte fehér zebracsíkok fölött nincsenek leszálló légá­ramlások. Ennek fő oka, hogy a fölmelegedett levegő ferdén fölfelé áramlik a domború felső testfelület bal és jobb oldalán és amikor mindkét áram eléri a test legfelső vízszintes hátsávját, egy függőleges feláram­lásban egyesülnek.

A korábban feltételezett (lásd 1A ábra) helyett azt találtuk, hogy a napsütötte zebrák, valamint fekete és fehér/szürke lovak fölötti légáramlás az 1B-D ábra sze­rinti. Az is kiderült, hogy minél melegebb a felület, an­nál intenzívebb a felszálló légörvény feláramlása, így nagyobb zavart okozhat a környezete többi feláramlá­sában. E hatás miatt nehezebben alakulhat ki rende­zett légörvénysor. Bizonyítottuk, hogy a fekete-fehér csíkok határvonalai katalizálni képesek a feláramlá­sok kialakulását, azonban e hatás csak meghatározott csíkvastagságnál érvényesül. Ha ritkán csíkozott a fe­lület, akkor a vastag fekete csíkokon belül is kialakul­nak feláramlások. Ha nagy a csíksűrűség, akkor a túl vékony csíkok miatt a homogén felületekéhez hason­lók a feláramlások. Azt is kimutattuk, hogy a hosszú szőrszálak előmozdítják a feláramlások formálódását, mert segítik a felszálló meleg légáramlások felülettől való elszakadását.

A kialakult feláramlás oldalirányú sodródását a szomszédos fekete és fehér csíkok határvonalai meg­akadályozni nem képesek. Ezzel szemben a hosszabb szőrök/szőrcsomók hatékonyabban stabilizálják a meleg feláramlások kiindulási helyét. A csíkoknak csak közvetlenül a felület fölött (néhány cm-ig) van hatásuk a légáramlások kialakulására a feláramlások elősegítése és azok oldalsodródásának gátlása formá­jában, magasabban már elenyésző e befolyás. Habár szélcsendben a napsütötte zebracsíkok fölött felszálló légáramlatok formálódnak, a leggyengébb szellő vagy az állat mozgásakori ellenszél is elfújja, szétzilálja őket. Mivel természetes (szeles) körülmények között a meleg feláramlások nagyon hasonlóan viselkednek egyszínű és csíkos napsütötte kültakarók fölött, ezért mindkét felülettípust szinte egyformán hűtik.

Záró gondolatok

A laboratóriumi szélmentes körülmények között Schlie­ren-optikával megfigyelt légáramlások nem alakulhatnak ki a terepen az örökké fújó szelek/szellők miatt. Egy ma­gyarországi terepkísérlet során 3 hónapig szakadatla­nul mértük a szélsebességet [2]. Minél magasabb volt a nappali léghőmérséklet, annál nagyobb volt a szélse­besség, és szélcsend szinte soha sem uralkodott nap­közben az állandó helyi légmozgások következtében, amelyek átlagsebessége 2-5 km/h volt. Ilyen erős sze­lek lehetetlenné teszik a napsütötte zebracsíkok fö­lött bárminemű légörvények vagy egyszerű feláram­lások kialakulását és fennmaradását. A zebrák afrikai élőhelyén is nyilván ugyanez a helyzet.

Valószínűtlen, hogy a Schlieren-optikával meg­figyelt réteges (lamináris) feláramlások jobban hűtenék az alattuk lévő meleg szőrös állatbőrt (kül­takarót), mint a turbulensek. A megfigyelt feláramlá­sok nyilván hűtik a meleg kültakarót, mivel oldalról hűvösebb levegővel pótlódnak. Minél sötétebb egy napsütötte kültakaró, annál melegebb a róla felszál­ló levegő, ami annál erősebb/gyorsabb hőeltávolító feláramlást eredményez. Ugyanakkor egy sötétebb kültakaró nyilván jobban melegíti az állatot, mint egy világosabb.

Jól ismert tény, hogy a zebracsíkos kültakaró sokkal kevésbé vonzza a vérszívó cecelegyeket [7] és bögölyöket [8, 9], mint az egyszínűek, és e csökkent vizuális vonzó­képesség a csíkos mintázat egyik fő funkciója. Cobb és Cobb [4] feltételezése szerint a napsütötte zebrákról felszálló légáramlatok megnehezíthetik a legyek rájuk szállását. A Schlieren-optikás kísérleteinkben nagyon hasonló aerodinamikai tulajdonságú feláramlásokat tapasztaltunk mind az egyszínű, mind a csíkos teszt­felületek fölött. Így, ha a napsütötte zebrákról felszál­ló légáramlatok gátolnák a legyek rájuk szállását, akkor ugyanez lenne igaz a homogén sötét (fekete, barna) szőrű gazdaállatokra is. Azonban terepkísérleteinken szám­talanszor megfigyeltük, hogy a bögölyök még a napsü­tésben legmelegebb szőrű fekete lovakra is könnyen rászállnak. E lovak fölött alakulnak ki a leghevesebb fel­áramlások, amelyek tehát nem gátolják meg a bögölyök landolását.

PERESZLÉNYI ÁDÁM – SZÁZ DÉNES – JÁNOSI IMRE – HORVÁTH GÁBOR

Kutatásunkat a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal NKFIH K-123930 számú (Zebracsíkok termofizio­lógiai vizsgálata: új magyarázat a zebracsíkok szerepére) pályázata támogatja.

IRODALOM

---

1. Caro T. (2016) Zebra Stripes. University of Chicago Press, Chicago
2. Horváth G., Pereszlényi Á., Száz D., Barta A., Jánosi I. M., Gerics B., Akesson S. (2018) Experimental evidence that stripes do not cool zebras. Scientific Reports 8: 9351
3. Larison B., Harrigan R. J., Rubenstein D. I., Smith T. B. (2015) Concor­dance on zebra stripes is not black and white. Royal Society Open Science 2: 150359
4. Cobb A., Cobb S. (2019) Do zebra stripes influence thermoregula­tion? Journal of Natural History 53: 863-879
5. Pereszlényi Á., Száz D., Jánosi I., Horváth G. (2021) A new argument against cooling by convective air eddies formed above sunlit zebra stripes. Scientific Reports 11: 10.1038/s41598-021-95105-4(www.natu­re.com/articles/s41598-021-95105-4)
6. Settles G. S. (2012) Schlieren and Shadowgraph Techniques: Visualizing Phenomena in Transparent Media. Springer: Heidelberg
7. Vale G. A. (1974) The response of tsetse flies (Diptera, Glossinidae) to mo­bile and stationary baits. Bullentin of Entomological Research 64: 545-588
8. Egri Á., Blahó M., Kriska G., Farkas R., Gyurkovszky M., Åkesson S., Horváth G. (2012) Polarotactic tabanids find striped patterns with brightness and/or polarization modulation least attractive: an ad­vantage of zebra stripes. Journal of Experimental Biology 215: 736-745
9. Blahó M., Egri Á., Száz D., Kriska G., Åkesson S., Horváth G. (2013) Stri­pes disrupt odour attractiveness to biting horseflies: Battle bet­ween ammonia, CO₂, and colour pattern for dominance in the sensory systems of host-seeking tabanids. Physiology and Behavior 119: 168-174