Рис. 1. Бражник Manduca sexta сосет нектар, вытянув хоботок и балансируя возле качающегося цветка. Фото из синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Ночным животным, в том числе насекомым, приходится приспосабливаться к условиям слабой освещенности, ведь иначе в темноте трудно найти добычу или, наоборот, легко стать ей, не заметив вовремя угрозу. Один из способов лучше видеть в темноте — это увеличить «выдержку» фоторецепторов. Правда, при этом падает скорость восприятия. Американские ученые показали, что у бражника Manduca sexta скорость восприятия в темноте уменьшается ровно настолько, чтобы он успевал следовать за качающимися на ветру цветами.

В условиях дикой природы разница в освещенности за сутки может состалять до десяти миллиардов раз. Живые существа должны уметь подстраивать свою зрительную систему под такие разные условия. Особенно интересны адаптации к условиям слабой освещенности.

Что делать, если света мало, но информации из него нужно извлечь как можно больше? Во-первых, животные используют разные оптические ухищрения, чтобы эффективнее улавливать фотоны. Те, у кого есть зрачки, могут расширять их, чтобы в глаз попадало больше света. Кстати, псевдозрачки встречаются даже у некоторых насекомых («псевдо» — потому что он один на множество простых глазков, составляющих фасеточный глаз). Животные со сложными фасеточными глазами способны увеличивать диаметр отдельных глазков, чтобы туда попадало больше света, а также уменьшать их длину, чтобы фотону не приходилось проделывать слишком длинный путь до попадания на чувствительный пигмент. Подобные оптические ухищрения могут менять светочувствительность в тысячи раз, но это число слишком далеко от десяти миллиардов раз суточной вариабельности.

Адаптации могут происходить и на клеточном уровне — за счет увеличения количества пигмента. Но такие модификации изменяют светочувствительность примерно на порядок. Всех этих эффектов всё равно недостаточно, чтобы приспособиться к широкому диапазону природных изменений освещения.

В 90-е годы ученые предположили, что в условиях недостатка освещения животные могут использовать еще один тип механизмов — суммирование сигналов на уровне нейронов. Такое суммирование сигналов при недостатке освещенности может происходить в пространстве и во времени. В первом случае животное складывает редкие сигналы, приходящие от соседних рецепторов света. Это уменьшает разрешение глаза, но позволяет увидеть в сумерках или даже темноте хотя бы что-то. Во втором — животное увеличивает «выдержку», чтобы получить картинку удовлетворительного качества. Фоторецепторы при этом замедляют скорость ответа на возбуждение от попадающих на них фотонов. Недавно такой механизм, изначально предложенный теоретически, был найден у шмелей (T. Reber et al., 2015. Effect of light intensity on flight control and temporal properties of photoreceptors in bumblebees).

Суммирование по времени уменьшает скорость восприятия животного, так что ему нужно подобрать правильный баланс параметров обработки сигналов — чтобы получать достаточно хорошую картинку, но не слишком медленно. Американские ученые недавно обнаружили красивый пример такой настройки зрения у ночных мотыльков — бражников Manduca sexta (рис. 1).

Бражники вылетают на поиски пищи — цветочного нектара — почти в полной темноте. Они пьют нектар на лету, оставаясь неподвижными относительно качающегося на ветру цветка. Получается, что мотылек и видит в темноте достаточно хорошо, и достаточно быстро реагирует на движения цветка, чтобы не отставать от него и пить нектар.

Рис. 2. Слева — бражник пьет сладкий раствор из искусственного цветка. Справа — суперпозиция нескольких кадров видео, на котором бражник успешно следует за цветком. Изображения из синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Рис. 3. Верхний график — средняя ошибка движения бражника Manduca sexta, пытающегося выпить нектар из цветка, колеблющегося с определенной частотой. Нижний график — интенсивности колебаний нескольких видов растений, опыляемых бражником. Эти растения почти не колеблются с такими частотами, при которых мотылек уже не успевает хорошо разглядеть их при ночном освещении. Графики из обсуждаемой статьи в Science

Исследователи решили узнать, насколько точность полета бражника зависит от освещения и частоты колебаний цветов. Для этого были сконструированы цветы-роботы, которые могли колебаться с заданной частотой. В «венчик» такого цветка-робота был встроен сосуд, из которого мотылек мог пить, как из настоящего цветка. Эксперимент проводили при двух уровнях освещенности — 300 и 0,3 люкс, что соответствует ранним сумеркам и ночи, освещаемой четвертью луны. Мотыльки свободно летали, стараясь удержаться рядом с цветами, чтобы выпить из них сладкий раствор (рис. 2). Полет мотыльков записывали на камеры с двух ракурсов со скоростью съемки 100 кадров в секунду. Исследователи оценивали, насколько хорошо траектория мотылька совпадает с траекторией движения искусственного цветка при разных условиях.

Оказалось, что при частоте колебаний цветов меньше двух герц (то есть меньше двух колебаний в секунду) бражники очень аккуратно следуют за цветком независимо от условий освещения. Но при более активных колебаниях траектории цветка и мотылька резко начинали расходиться (рис. 3.). Начиная с той же частоты в 2 герца для мотыльков становилась важна освещенность — при «ночном» освещении они еще хуже успевали за цветком-роботом, чем при «вечернем». Это заставляло предположить, что мотыльки при слабом освещении уменьшают «выдержку» своих фоторецепторов, и из-за этого их восприятие замедляется. Если цветы колеблются с частотой больше двух герц, ночная скорость восприятия мотыльков становится уже низковатой, а их полет — ощутимо менее точным. В среднем, по подсчетам ученых, скорость восприятия бражников при «ночном» освещении упала на 17% по сравнению с «ранними сумерками».

Получив такие лабораторные данные, ученые выехали на природу и записали на видео естественные колебания опыляемых бражником цветов под действием ветра. К удовольствию исследователей, частота колебания подавляющего большинства цветов как раз укладывалась в диапазон до двух герц, найденный экспериментально. Получается, что бражник в темноте замедляет свою скорость восприятия как раз настолько, чтобы успевать за естественными движениями своих любимых цветов. Если бы цветы колебались чуть быстрее, бражник уже не мог бы позволить себе увеличить «выдержку», чтобы хорошо видеть цветок в темноте и при этом успевать за ним.

Важность этой работы не только в изучении адаптивного механизма бражников. Она дает еще один пример того, как под действием внешних факторов — в данном случае это естественная частота колебания цветков — работает направленный отбор, в результате которого животное тонко подстраивает свои органы чувств, чтобы максимально эффективно добывать пропитание.

Рис. 1. Серебряные муравьи-бегунки Cataglyphis bombycinus. Фото с сайта antclub.org

Серебряные муравьи-бегунки Cataglyphis bombycinus, обитатели жарких африканских пустынь, вполне оправдывают свое название: на солнце их тело отливает серебристым блеском. Энтомологи и физики стали разбираться, с чем связана такая необычная наружность серебряных бегунков. Изучение муравьиной внешности привело исследователей к идее теплоизолирующих материалов нового типа.

Серебряные муравьи-бегунки (рис. 1) удивительны: они обитают в самых жарких и засушливых пустынях Центральной и Северной Африки. Они остаются активны при исключительно высоких температурах — до 58°C, когда всё другое население пустыни прячется в норы и бездействует. Они занимают нишу дневных пустынных падальщиков — их добычей становятся те, кто менее устойчив к африканской жаре и умер от перегрева или обезвоживания. Что же помогло этим муравьям стать рекордсменами термостойкости?

Известно, что длинные ноги поддерживают их тело чуть выше от горячей поверхности песка, чем у других насекомых. Известно также, что эффективный теплообмен обеспечивают щелевидные дыхальца. Помогает выжить на жаре и особый способ фуражировки (добывания питания) — «мелкими перебежками». Пробежав по земле короткое расстояние, муравей забирается на камень или сухую травинку и, используя резкий вертикальный термоградиент, сбрасывает избыток тепла; затем бежит дальше. В таких «охлаждающих» паузах муравей проводит около 70% всего фуражировочного времени. Но этого недостаточно. Как выяснили специалисты из Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории,Вашингтонского и Колумбийского университетов (США) и Цюрихского университета (Швейцария), справляться с высокой температурой муравьям помогает необычный густой волосяной покров. Всё их тело сверху и с боков закрыто слоем волосков (рис. 2).

Рис. 2. Серебряный бегунок густо покрыт отливающими на свету волосками. Фото с сайтаnewscientist.com

Эти волоски, как выяснилось, имеют в сечении треугольную форму, постепенно сужаются к концам и направлены строго параллельно друг другу. Две верхние грани призмы имеют продольные бороздки или морщинки, а нижняя грань гладкая (рис. 3).

Рис. 3. A — серебряный бегунок, отдыхающий от жаркой земли, забравшись повыше на сухое растение; B — голова муравья, покрытая волосками; C — волоски, налегающие друг на друга; D — видны треугольные сечения волосков и скульптурная поверхность верхних граней; E — верхняя и нижняя грани волосков: верхняя со скульптурой, а нижняя гладкая. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Этот необычный волосяной покров работает двояко. Во-первых, он отражает свет в видимом и в коротковолновом инфракрасном диапазоне. Бороздки на гранях усиливают рассеивающий эффект. Во-вторых, в средневолновом инфракрасном диапазоне призматические волоски усиливают тепловую эмиссию, а это как раз тот диапазон, на который приходится теплоизлучение муравьиного тела (6–16 мкм). Физику этого явления понять нетрудно, для этого нужно нарисовать, как грани призмы отражают световые (электромагнитные) лучи. Наилучшим образом призматический волосок будет отражать свет, падающий под углом 30°, хуже всего — под углом 90° (рис. 4). При увеличении длины волны падающего луча, согласно закону излучения Кирхгофа, отражение света будет уменьшаться, зато излучение усилится.

Рис. 4. Отражение и преломление лучей, падающих на грань треугольной призмы при разных углах падения луча. Бороздки на гранях увеличивают рассеяние. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Эти догадки о работе призматических волосков ученые проверили экспериментально. Они сравнили световое рассеяние и температуру муравья с волосками и без волосков. Для этого им пришлось не только наладить спектрометр под микрообъект — муравьиную голову или брюшко, но и «обрить» нескольких подопытных муравьев (рис. 5). Эту последнюю манипуляцию они научились делать с помощью притупленной вольфрамовой иголки. Как написали ученые в методической части, достаточно провести иглой по волоскам, и они легко опадают, прилипая к игле за счет электростатического заряда.

Рис. 5. Слева: «обритая» голова муравья на двух натянутых волосках — препарат готов к испытаниям на теплоизлучение и светорассеяние. Справа: спектрометр. Фото издополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

В эксперименте действительно подтвердилось, что рассеяние света видимого и коротковолнового инфракрасного диапазона на 25% сильнее у муравьев с волосками, чем у безволосых. Но еще интереснее, что удалось показать и увеличение теплоотдачи в средневолновом инфракрасном диапазоне. Подсчитано с использованием экспериментальных данных, что теплоэмиссия волосатой поверхности примерно на 15% сильнее, чем безволосой (рис. 6). В результате время, которое нужно тратить на «охлаждающий» отдых, уменьшается.

Рис. 6. Рассеяние света поверхностью тела, покрытой волосками, выше, чем безволосой поверхностью. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Эти теоретические выкладки, подкрепленные экспериментами, прекрасно объясняют, почему у бегунков спинка волосатая, а брюшко голое. Брюшко не отражает свет, падающий сверху, зато оно должно наиболее эффективно отдавать тепло в окружающую среду при условии усиленного подогрева снизу, от раскаленного песка. Подогрев снизу — это средневолновое инфракрасное излучение. Такое излучение будет отражаться гладкой хитиновой поверхностью, а призматические волоски, напротив, усилят поглощение волн этого спектра. Так что снизу пусть уж поверхность будет гладкой, безволосой, чтобы всё оказалось отлажено наилучшим образом.

Данные исследования позволили ученым выдвинуть предположение, что волокна с такими свойствами, как у волосков серебряных бегунков, могут быть использованы для разработки теплоизолирующих и самоохлаждающихся материалов различного назначения.