Мир дикой природы порой напоминает пьесу в жанре трагикомедии, где есть коварные злодеи, смелые герои, запутанные интриги, простодушные дурачки и бесконечно переплетающиеся сюжетные линии персонажей. Если человек может всю свою жизнь думать над своим предназначением в этом мире, и не понимать, чего он на самом деле хочет, то в дикой природе желание вполне очевидно — выжить. Когда против тебя и переменчивая погода, и хищники, и даже собственные сородичи, необходимо использовать все инструменты эволюции и адаптироваться. Ученые из Бристольского университета (Великобритания) установили, что на кончиках крыльев некоторых мотыльков имеются необычные образования, способные ввести в замешательство летучих мышей. Что это за образования, как они работают, и чем приходится жертвовать мотыльку во имя своего спасения? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Летучие мыши, как известно, в большинстве своем предпочитают ночной образ жизни. Проблема ночной охоты в том, что ночью темно (неожиданно, правда?). Но благодаря своей невероятно чувствительной эхолокации, эти крылатые хищники способны фиксировать положение добычи в кромешной тьме. Некоторые виды летучих мышей настолько мастерски овладели эхолокацией, что могут ловить добычу даже в полете.
Летучая мышь ловит мотылька в полете.
Для потенциальной добычи летучих мышей эхолокация — это палка о двух концах. С одной стороны она способствует их гибели, но с другой может и спасти. Пару лет назад мы уже рассматривали необычный механизм защиты мотыльков от эхолокации летучих мышей (Звуковая диверсия: механизм генерации ультразвуковых щелчков у ночных мотыльков как защита от летучих мышей). Но эта защита не стала универсальным спасательным кругом для всех мотыльков против всех летучих мышей, что подтверждается другим исследованием, также нами рассмотренным (I see you: тактика обхода маскировки добычи у летучих мышей).
Другими словами, и добыча, и охотник постоянно придумывают новые методы борьбы друг с другом, и у каждого вида с той или иной стороны конфликта могут быть свои уникальные инструменты. В двух словах эту гонку вооружений называют «сенсорной коэволюцией».
Строение тела чешуекрылых.
К примеру, у некоторых крупных видов шелкопрядов (Saturniidae) на нижних концах (хвостиках) задних крыльев имеются специальные изогнутые и скрученные биосонарные структуры. Также было установлено, что тутовые шелкопряды, лишенные таких обманок на задних крыльях, вместо этого оснащены складками на концах передних крыльев.
Одним из крупнейших представителей семейства Saturniidae (павлиноглазки) является мотылек атлас (Attacus atlas), размах крыльев которого достигает 24 см.
Ученые предполагают, что такие морфологические особенности могут быть инструментом введения летучих мышей в заблуждение. Когда мышь атакует мотылька, используя свою эхолокацию, она улавливает сигнал от туловища насекомого. А эти структуры смещают внимание хищника на менее важные части тела мотылька (в данном случае на кончики крыльев). В таком случае мотылек может отделаться лишь незначительными повреждениями крыльев, а не стать ужином. Столь удивительная, но в то же время простая, конструкция противодействия хищникам является крайне интересным примером сенсорной коэволюцией, а потому ее необходимо было рассмотреть детальнее.
Результаты исследования
Среди рассмотренных 72 видов Saturniidae у 36 были обнаружены участки волнистых и/или складчатых перепонок на дистальных отделах передних крыльев. Волнистые структуры сформированы полусферическими ретрорефлекторами, образованными вогнутыми полусферическими участками мембраны. Складчатые структуры сформированы угловыми ретрорефлекторами, образованными перпендикулярно соединяющимися плоскостями.
Схемы строения и жилкования крыла бабочек (слева сверху — переднее крыло; слева снизу — заднее крыло).
Мембраны кончиков крыльев имели две отличительные особенности, названные рябь и складки. В первом случае (1B) на мембране имеются волны с определенной периодичностью, идущие параллельно передней кромке крыла в одной или нескольких ячейках между жилками R4, R5 и M1 (иногда и M2). Волны между R4 и R5 (ряд 1) обычно глубже, шире и многочисленнее, чем в других ячейках. У четырех из 36 видов с волнистостью передних крыльев дополнительно наблюдались складки на удлиненных лопастных концах крыльев. В самих складках относительно плоские участки мембраны встречаются под углами, близкими к нормали (1В).
Изображение №1: A — удлиненная, свернутая по спирали структура заднего крыла у Actias luna; B — волнистые и складчатые кончики передних крыльев Attacus atlas.
Далее ученые измерили эхолокационный сигнал от самого тела мотылька и от акустической обманки на кончиках крыльев с 10800 направлений (97% всех возможных направлений). В этом анализе участвовало 10 видов (по 5 особей) мотыльков, среди которых можно было выделить 4 различные морфология крыла:
- складки + волны — Attacus atlas, Archaeoattacus edwardsii и Samia cynthia;
- волны — Antheraea pernyi, Agapema homogena и Antheraea polyphemus;
- плоскости (т.е. нет никаких необычных структур) — Syssphinx montana, Hemileuca hualapai и Syssphinx hubbardi;
- обманка на кончике крыла — Actias luna.
Для количественной оценки акустического эффекта обоих крыльев было наложено двустороннее зеркальное изображение измеренных эхосигналов от одного крыла (изображение №2).
Изображение №2
Средняя сила эхо-сигнала для кончиков крыльев, обманок на задних крыльях и тела была рассчитана для каждого образца путем интегрирования всех 10800 направлений эхо-сигнала, взвешенных по их соответствующему телесному углу*, для контроля вариаций в пространственной плотности выборки. Затем для каждого вида были рассчитаны различия в средней силе эхо-сигнала (2A-2D).
Телесный угол* — часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность.У каждого из трех видов мотыльков волны и складки показывали более сильный эхо-сигнал на низких частотах, чем кончики крыльев. При этом кончики крыльев производили более сильный сигнал при более высоких частотах (2A): у A. atlas от 30 кГц (достигая пика разницы в +12.2 дБ при 90 кГц); у A. edwardsii от 34 кГц (пик в +8.3 дБ при 80 кГц) и у S. cynthia от 44 кГц (пик в +6.4 дБ при 126 кГц).
У вида A. pernyi (волны и складки) крыло и тело имели сопоставимую силу сигнала на частоте 60 кГц, а тела всех других видов имели значительно более высокую общую силу сигнала, чем их кончики крыльев во всем диапазоне частот (2B и 2C). А у A. luna (обманка на кончиках крыльев) средняя сила сигнала обманки была ниже, чем у их тела на всех частотах. Но на частотах выше 47 кГц (2D) значения силы сигнала от обманки и от тела были примерно на одном уровне (0.5–1.5 дБ).
Далее был рассчитан коэффициент выигрыша (W, как функция частоты) путем сравнения спектральной силы сигнала кончиков крыла и тела каждой особи для каждого из исследуемых направлений. После чего вычислялась доля всех возможных направлений(в телесном угле), в которых эхо-сигнал от кончиков крыльев был громче, чем сигнал от тела (2E-2H).
Самым сильным отражателем эхо-сигнала стали кончики крыла A. atlas — сила их сигнала превышала силу сигнала от тела в 92% от всех направлений (W = 0.5–0.92). W во всем диапазоне частот был значительно выше у всех видов с волнами/складками, чем у видов с плоскими структурами крыла (2E и 2G). W у видов с волнами был значительно выше, чем у видов с без них на частотах выше 37 кГц (A. pernyi), выше 73 кГц (A. polyphemus) и выше 120 кГц (A. homogena).
Частота пика W у видов с волнами/складками составила 93 кГц у A. atlas (W = 0.92), 83 кГц у A. edwardsii (W = 0.82) и 105 кГц у S. cynthia (W = 0.77). У мотыльков с волнами частота пика W составляла 100 кГц у A. pernyi (W = 0.61), 141 кГц у A. polyphemus (W = 0.48) и 163 кГц у A. homogena (W = 0.50).
Значение W у A. luna (обманка на кончиках крыльев) достигало максимума на частоте 59 кГц (W = 0.51) и было значительно ниже, чем у мотыльков с волнами/складками, а также значительно выше, чем у мотыльков без дополнительных структур на крыльях (2E-2H).
Изображение №3
Ученые отмечают, что трехмерная структура поверхности объекта определяет его отражательные свойства. Поверхности, перпендикулярные падению звука, отражают звук напрямую. А некоторые вогнутые участки могут достигать обратного отражения за счет двойного отражения.
Структурная направленность поверхности (D; красные вставки на изображении №3) показывает, при каком процентном соотношении возможных углов падения поверхность имеет перпендикулярные участки, которые создают эхо-сигналы за счет однократного отражения. Следовательно, она указывает на направленность отражателя.
Структурная направленность у волны/складки была самой высокой (27-51%), затем следовали волны (22-23%) и плоские структуры (10-11%). Ученые обнаружили существенную корреляцию между W (среднее значение в диапазоне 20–160 кГц) и D, а также между W и числом и глубиной волн.
Изображение №4
Филогенетический анализ передних и задних крыльев 72 видов шелкопрядов показал, что волнистость на кончиках крыльев могла развиться независимо четыре раза, складки передних крыльев — три раза, а удлинение заднего крыла — по крайней мере семь раз (схема выше).
Стоит отметить, что между размахом крыльев и значениями W и D существует корреляция. Особи с волнами/складками были больше (22.5 ± 4.5 см), чем особи с волнами (13.0 ± 3.5 см), с плоскими структурами (7.9 ± 2.4 см) и с обманками на кончиках крыльев (9.85 ± 7.1 см).
Основной вывод наблюдений заключается в том, что акустические обманки защищают мотыльков, переводя внимание атакующих летучих мышей от их уязвимого туловища на менее важные части тела (в данном случае на кончик крыла).
Основным показателем эффективности такой защиты стал коэффициент выигрыша обманки (W), т.е. сравнение силы направленного и спектрального эхо-сигнала от тела и от обманок. Летучие мыши во время поиска добычи чаще всего используют средние частоты, переключаясь на более высокие во время непосредственного преследования и атаки для более точного отслеживания цели.
Среди видов мотыльков с волнами/складками кончики крыльев становятся доминирующими отражателями от 43 кГц (т.е. их эхо-сигнал превышает сигнал туловища). Среди мотыльков только с волнообразными образованиями на крыльях лишь у A. pernyi эти участки становятся доминирующими от 58 кГц. Следовательно, такие образования на крыльях будут более заметны для летучей мыши, чем туловище мотылька.
Мотыльки, у которых присутствуют акустические обманки на крыльях, достаточно крупные в своих габаритах, что уже ограничивает видовое разнообразие опасных для них хищных летучих мышей. Во время лабораторных опытов было подтверждено, что большая коричневая летучая мышь среднего размера (Eptesicus fuscus, размах крыльев 32–35 см) способна атаковать мотыльков вида A. polyphemus и A. luna. Следовательно, другие виды мышей примерно таких же габаритов также являются проблемой для мотыльков.
Большой размер мотыльков, у которых есть обманки, может быть связан с ограниченным пространственным разрешением биосонара летучих мышей. Акустическая приманка будет эффективна только в том случае, если отражатель эха (обманка) находится достаточно далеко от тела, и возникающий в результате акустический сигнал мотылька будет неверно интерпретирован летучей мышью. Эта теория объясняет отсутствие акустических приманок у более мелких видов мотыльков.
Во время опытов летучие мыши атаковали заднюю часть крыльев A. luna (1A) примерно в 50% случаев. Но для мотыльков вида Argema mimosae, у которых задние крылья значительно более вытянутые, этот показатель возрастал до 70%. Искусственное увеличение расстояние между телом и акустической обманкой A. luna на 3.77 см приводило к увеличению выживаемости мотыльков данного вида на 28%.
Очевидно, что наличие эффективной обманки приведет к ее неминуемому повреждению ввиду атаки летучей мыши. По большей степени задние крылья не так важны для полета мотыльков, как передние. Потому потеря части заднего крыла не нанесет сильного вреда мотыльку, зато спасет его от гибели.
Если же рассматривать акустические приманки на передних крыльях, то ситуация немного иная. Эти крылья намного жестче, что делает их более устойчивыми к повреждениям. Если летучая мышь поведется на обманку, то скорее всего просто собьет мотылька с его изначальной траектории полета, не повредив при этом крыло. Даже если передние крыло будет повреждено, мотылек может летать, компенсируя повреждения изменением динамики полета.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые установили, что необычные отростки на передних или задних крыльях мотыльков из семейства Saturniidae являются своеобразными акустическими обманками. Мотылек излучает определенный эхо-сигнал, улавливаемый охотящейся летучей мышью. Но эти обманки генерируют сигнал, который сильнее сигнала от туловища. А потому летучая мышь с большой долей вероятности атакует отросток на крыле, а не его владельца. Пожертвовав частью крыла (и то не во всех случаях) мотылек может спасти себе жизнь.
Отношения между мотыльками и летучими мышами являются ярким примером гонки вооружений. Разные виды и охотников, и добычи выработали свои уникальные методы отслеживания, маскировки и даже обмана. Ученые уверены, что нам известен далеко не весь акустический арсенал как мотыльков, так и летучих мышей, а потому намерены продолжить свое исследование, но с участием других семейств и видов.
Эволюция — невероятный процесс. Порой он кажется хаотичным, нелогичным и непредсказуемым. Но при детальном рассмотрении становится очевидно, что в результате адаптации у какого-либо существа появляется только то, что нужно для выживания, ни больше ни меньше. Рассмотренные в данном труде мотыльки могли бы эволюционировать иначе (стать крупнее любой летучей мыши, обзавестись когтями или утратить крылья, переселившись под землю), но любое изменение в морфологии приводит к изменению жизненного цикла существа. И даже если приходится жертвовать целостностью своих крыльев, мотыльки сохраняют образ жизни своего вида, устоявшийся за долгие годы эволюции.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
