Почему микрожуки-перокрылки летают не так, как все остальные животные
В журнале Nature вышел рассказ о новом способе летать. Его изобрел очень, очень маленький жук-перокрылка — он в 50 раз меньше шмеля. Мы поговорили с авторами статьи и выяснили, что ухищрения, на которые идет перокрылка ради того, чтобы взлететь, можно сравнить разве что с теми, на которые приходится идти энтомологам, чтобы этот полет описать.
Если долгое время становиться все меньше и меньше, то еще неизвестно, чем это кончится, — говорила кэрролловская Алиса, — можно совсем пропасть. Именно так и поступили десятки разных видов насекомых — они уменьшились настолько, что пропали из поля зрения хищников. Длина тела миниатюрного жука-перокрылки — 395 микрометров, туловище осы-наездника — 250 микрометров. Чуть больше инфузории-туфельки, чуть меньше обыкновенной амебы.
Миниатюризация стоит дорого. Алиса перестала дотягиваться до стола и чуть не утонула в слезах, которые пролила до уменьшения. Микроскопическим насекомым приходится решать массу проблем, неведомых их крупным собратьям: как есть, как летать, как размножаться, а главное — как уместить в своем компактном теле все необходимые для этого органы.
На первый вооруженный микроскопом взгляд миниатюрные насекомые не сильно отличаются от всем знакомых жуков и ос. Сегментов у них
, но основные части тела на месте: голова, брюшко, лапки, крылья (кому нужны), хоботки — все они уменьшаются одновременно и пропорционально. Поэтому некоторые ученые
, что границу миниатюризации насекомых определяет окружающая их среда — например, размер капли воды.
Не все микронасекомые рискуют охотиться. Вместо этого они подгрызают грибы, пьют воду с их поверхности или высасывают ее из деревьев. Но капля на грибе и вода внутри дерева тоже сопротивляются тому, чтобы ее съели — с помощью поверхностного натяжения и капиллярных сил. И если стать слишком маленьким, то может получиться так, что мышечного усилия уже не хватит, чтобы втянуть каплю в рот.
Когда исследователи взялись разбирать миниатюрных жуков и ос на составные части, то задумались о том, что ограничения на размер могут лежать не снаружи животного, а внутри. Оказалось, что по ходу миниатюризации не все внутренние органы, в отличие от частей тела, уменьшаются пропорционально.
Первыми под сокращение попадают транспортные системы — становится меньше мальпигиевых сосудов (для выделения) и трахей (для дыхания), исчезают некоторые кровеносные сосуды, а вместе с ними иногда и сердце. Зато нервной и половой системами насекомые жертвуют неохотно. Хотя количество нервных клеток у них снижается (а некоторые осы даже избавляются от ядер в мозговых нейронах), сам мозг никуда не девается и сохраняет все свои отделы.
На месте и половые железы — некоторые виды оставляют себе только одну из двух, но уж ей приходится быть полноценной: в яичник должно влезать хотя бы одно яйцо с запасом питательных веществ, чтобы вырастить будущую личинку. Исключение составляют только осы-наездники, которые откладывают яйца в чужие личинки, и так выигрывают еще сто микрометров тела.
Таким образом, даже самое миниатюрное взрослое насекомое не может быть меньше, чем его мозг и яичник, вместе взятые. Микрожуки ни на ком не паразитируют, и у них яичник может занимать до половины тела. С учетом мозга, на который приходится больше 10 процентов массы, на остальные органы остается совсем мало места.
Те, кто решил свои внутренние проблемы и утрамбовал все необходимые органы, сталкиваются со следующей задачей — как с этим взлететь. Причем не просто подняться в воздух, но и долететь к цели. «Для того, чтобы иметь возможность активно перемещаться, им нужно преодолевать скорость ветра — рассказывает Сергей Фарисенков, младший научный сотрудник кафедры энтомологии МГУ и ведущий автор статьи в Nature. — В лесу у земли ветер не такой, как над кронами деревьев, но все равно его скорость существенна для столь миниатюрных животных».
Маленьким и легким пробиться сквозь ветер непросто. Для большинства насекомых верно
: чем ты мельче, тем медленнее летаешь. Но энтомологи из МГУ
, что некоторые миниатюрные жуки из семейства перокрылок (
) это правило систематически нарушают. Они не просто летают быстрее, чем их родственники похожего размера, они еще и разгоняются стремительнее, чем жуки-мертвоеды, которые в 60 раз их длиннее.
Чтобы выяснить, как им это удается, ученые взялись подробно описать полет перокрылок. И обнаружили, что он не похож на полет ни одного другого живого существа.
Другие миниатюрные насекомые, объясняет Фарисенков, за цикл делают два взмаха крыльями: вниз и вверх. При этом наверху их крылья схлопываются, а внизу расходятся, и итоговая траектория взмаха получается U-образной.
У перокрылок все по-другому. Их крылья описывают восьмерку: сначала махнуть вниз и вперед, затем вернуть крылья на изготовку и взмахнуть снова, уже вниз и назад — и снова возврат, оттуда цикл повторяется. Каждый цикл это два взмаха вниз и два возвратных движения наверх, во время которых крылья схлопываются.
Но каждое движение крыльями, продолжает Фарисенков, генерирует большой вращательный момент. Из-за него жук начинает «раскачиваться по тангажу» вперед-назад, как будто пытается перекувырнуться через голову. Здесь на помощь приходят надкрылья — передняя видоизмененная пара крыльев — которые у птилиид работают как стабилизатор. Жук машет надкрыльями, чтобы компенсировать момент вращения — и по расчетам ученых, снижает его вдвое. Перокрылку все равно качает — но если бы не надкрылья, то она бы вообще никуда не улетела.
Такой изощренный механизм полета связан с тем, что в ходе миниатюризации эти жуки заодно сэкономили и на крыльях. У крупных насекомых крылья — это мембраны из кутикулы, натянутые на скелет из жилок, а у микроскопических жуков крылья перистые (отсюда и название семейства). Больше похожее на плоскую метелку, такое крыло весит всего 24 нанограмма — что в 5–8 раз меньше, чем весило бы мембранозоное крыло того же размера. У перистого крыла момент инерции на порядок ниже, поэтому его кинетическая энергия целиком передается в воздух. Движение крыльев больше напоминает махи конечностями, за счет которых многие ракообразные передвигаются в воде — перокрылки скорее гребут сквозь воздух, чем летят.
Все это позволяет микрожукам сохранять устойчивость на ветру и разгоняться до десятков сантиметров в секунду. «Сотни длин [своего] тела в секунду, — пересчитывает Фарисенков, — это впечатляет». Болид «Формулы 1» на прямой пролетает где-то 16-18 своих корпусов в секунду, гепард — пробегает около 20. Перокрылка на порядок быстрее.
Быть миниатюрным насекомым непросто. Но изучать миниатюрных насекомых — еще сложнее. Даже самые простые и привычные методы с ними могут не сработать. Например, даже массу своего объекта изучения, перокрылки Paratuposa placentis, авторам статьи в Nature пришлось высчитывать аналитически.
«Очень маленький вес, — жалуется Фарисенков, — три микрограмма. У нас на момент подготовки статьи не было весов, которые могут дать такую точность». Пришлось решать проблему с помощью перокрылок покрупнее, из рода Primoskiella. «Их было поймано достаточно много, — рассказывает энтомолог, — чтобы всех этих жуков положить на весы и взвесить, а потом просто среднюю массу получить». Дальше ученые с помощью конфокальной микроскопии создали трехмерные реконструкции для тел обеих перекрылок и пересчитали через объем массу меньшей из них — с допущением, что плотность тел у них одинаковая.
«Если бы мы смогли наловить достаточное количество жуков нашего вида, — поясняет Фарисенков, — мы их так же бы взвесили. Но не сложилось, чтобы у нас были одновременно и весы, и достаточное количество жуков». По словам ученого, крупных перокрылок для контрольного взвешивания им понадобилось около сотни. Мелких пришлось бы добыть сразу несколько сотен.
В эксперименте перокрылок обездвиживали с помощью углекислого газа — чтобы успеть взвесить, «пока не разбежались». Можно было бы, конечно, их зафиксировать (то есть убить и законсервировать) и запасти до того момента, когда в руках у энтомологов окажутся достаточно точные весы. Но и эта оценка будет искаженной, говорит Фарисенков, «потому что фиксированный жук имеет уже другую массу». Если он сухой, то он заведомо лишен части своей воды. А если его зафиксировать химически, то под действием фиксатора могут раствориться липиды, которые покрывают его тело и не дают ему терять влагу — отчего жук опять-таки начнет высыхать и терять массу.
Жизнь энтомологов была бы гораздо проще, если бы нужные перокрылки всегда были под рукой и жили в лаборатории, как какие-нибудь дрозофилы. Но таких культур нет. «Даже если сделать какой-то разлагающийся субстрат, в котором они вроде как должны жить, — рассуждает Фарисенков, — то не факт, что там будет подходящая грибная микрофлора, которой они смогут питаться. Это должна быть специальная стадия разложения, на которой есть эти грибы, и это довольно сложно воспроизвести в искусственных условиях».
Поэтому ученым пришлось изучать перокрылку непосредственно в среде ее обитания, во вьетнамском тропическом лесу. Можно было, конечно, обойтись каким-нибудь подмосковным жуком — среди которых тоже встречаются микроскопические виды — но они крупнее. А энтомологи хотели записать полет самых мелких перокрылок из доступных.
Конечно, жуков можно было бы попробовать и забрать с собой в Москву. Но из Вьетнама запрещено вывозить животных (о том, как биологам бывает сложно возить свои объекты, мы рассказывали в материале «Уж послала так послала»). И даже если было бы разрешено — насекомые, по словам Фарисенкова, плохо переносят такие путешествия.
Так что разбираться с полетом перокрылок приходится на выездах во Вьетнам. Выглядит это примерно так. Сначала исследователи отправляются в лес на поиски объекта — без сачка и без микроскопа, просто внимательно осматривая встречающиеся им грибы. «Видно, что что-то маленькое черное бегает, — описывает процесс Фарисенков, — это может быть то, что нам нужно». Предполагаемых перокрылок собирают вместе с кусочками гриба, уносят в местную лабораторию и сортируют под микроскопом — где нужное насекомое, а где не нужное. Потом отобранных жуков запускают в летный бокс — закрытую емкость размером в пару сантиметров, окруженную видеокамерами. Жуки летают в боксе, а энтомологи ждут, пока камера не сделает удачную серию кадров. За сутки, по словам ученого, справиться им обычно не удается, времени уходит больше.
«Наша задача усложняется тем, что это очень быстро движущийся объект и у нас скоростная видеосъемка. Порядка 5 тысяч кадров в секунду. И это, конечно же, накладывает большие ограничения: у нас выдержка 2 микросекунды, и соответственно, нам нужно очень много света, и нужно этим светом объект не спалить, не ослепить и не зажарить».
Поэтому каждая экспедиция за перокрылкой — это целый лабораторный переезд. «Химия» для фиксации животных, оптика, камеры, рельсы, свет. «[В тот раз] мы привезли во Вьетнам, грубо говоря, 50 кило оборудования, — вспоминает Фарисенков, — разложились там, записали, зафиксировали, уехали. Сейчас у нас стало больше оборудования, раза в два, и теперь если мы куда-нибудь выедем — это будет большая проблема».
До этого зоологам был известен единственный экземпляр, добытый в 2015 году
Зоологи впервые сфотографировали в естественной среде обитания одного из самых редких грызунов в мире — вангунскую чешуехвостую крысу, эндемика острова Вангуну в архипелаге Соломоновы острова. До недавнего времени этот гигантский грызун был известен по единственному экземпляру, добытому в 2015 году. Однако с помощью фотоловушек исследователям удалось получить 95 изображений четырех представителей этого вида в дикой природе. К сожалению, в 2022 году правительство Соломоновых островов выдало разрешение на вырубку последнего участка тропического леса, где живут чешуехвостые крысы — а значит, этот вид может окончательно исчезнуть уже в ближайшие годы. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Ecology and Evolution. Некоторые виды грызунов из семейства мышиных (Muridae) процветают в современном мире. В качестве примера можно привести домовых мышей (Mus musculus) и серых (Rattus norvegicus) и черных крыс (R. rattus), которые давно поселились рядом с людьми и благодаря их помощи смогли распространиться по всей планете, включая многие океанические острова. Однако есть в семействе мышиных и виды, которые, наоборот, оказались под угрозой исчезновения из-за последствий человеческой деятельности. Часть из них уже вымерли. Так, крыс Rattus macleari и R. nativitatis с острова Рождества погубили завезенные на их родину болезни, а рифовую мозаичнохвостую крысу (Melomys rubicola) — рост уровня моря в результате антропогенных изменений климата. Команда зоологов под руководством Тайрона Лавери (Tyrone H. Lavery) из Мельбурнского университета решила больше узнать о судьбе еще одного редкого вида из семейства мышиных — вангунской чешуехвостой крысы (Uromys vika). Этот гигантский грызун с рыжеватой шерстью, который достигает 46 сантиметров в длину и весит от полукилограмма до килограмма, живет в тропических лесах на острове Вангуну в архипелаге Соломоновы острова. Питается он твердыми плодами канариума (Canarium), кокосовыми орехами и, возможно, фруктами. Жители Вангуну хорошо знакомы с местной чешуехвостой крысой (они называют ее «вика»), однако все попытки зоологов отыскать это животное до недавнего времени заканчивались неудачей. Лишь в 2015 году в руки Лавери и его коллегам, потратившим на поиски неуловимого зверя около пяти лет, попал первый и до недавнего времени единственный известный экземпляр U. vika. Грызуна поймали лесозаготовщики — вероятно, он прятался в кроне или дупле срубленного дерева. В момент поимки зверек был жив, но вскоре погиб из-за травм, вызванных падением. Исследователи изучили его останки, пришли к выводу, что это действительно представитель нового вида, и в 2017 году дали ему научное описание. По оценкам зоологов, вангунская чешуехвостая крыса живет только в первичных джунглях острова Вангуну ниже 250 метров над уровнем моря. Однако эта среда обитания быстро исчезает в результате коммерческих лесозаготовок. Даже участок леса, откуда происходит единственный экземпляр U. vika, уже был вырублен. Последним местом на Вангуну, где мог бы выжить гигантский грызун, судя по всему, является массив девственного леса площадью 36 квадратных километров, который находится под управлением общины Заира и разделен на три секции, принадлежащие племенам докосо, тавоамаи и сукили соответственно. Местные жители уверены, что вангунская чешуехвостая крыса до сих пор обитает на этой территории. Однако ученым этот вид здесь прежде не встречался. С сентября 2020 года по август 2021 года Лавери и его коллеги установили в лесу Заира девять фотоловушек. Места для устройств помогли подобрать местные жители. Они сообщили, что шансы запечатлеть редкую крысу наиболее высоки на крупных, покрытых мхом и другими эпифитами деревьях и около канариумов Canarium salomonense, плоды которых предпочитает поедать этот грызун (а также в местах, где остались скорлупки этих плодов со следами резцов). В результате восемь камер разместили на деревьях на высоте 10-20 метров, а еще одну — на земле. Около каждого устройства авторы оставили приманку — маленькую ароматическую лампу с хлопковым фитилем, наполненную кунжутным маслом. За несколько месяцев двум фотоловушкам из восьми удалось сделать в общей сложности 95 снимков вангунской чешуехвостой крысы. По мнению исследователей, в объектив камер попали по меньшей мере четыре разные особи: один самец и три самки (при этом три особи были отмечены на землях докосо, а одна — на землях сукили). Гигантские грызуны держались на деревьях из родов Calophyllum и Dillenia и в основном были активны в полночь. Помимо чешуехвостых крыс, фотоловушки запечатлели кускусов Phalanger breviceps, инвазивных черных крыс, варанов и несколько видов птиц. Результаты исследования свидетельствуют, что в джунглях под управлением общины Заира до сих пор существует популяция вангунских чешуехвостых крыс. Однако даже здесь эти грызуны не могут почувствовать себя в безопасности. Несмотря на то, что община Заира вот уже 16 лет пытается защитить свой лес от вырубки и придать ему статус охраняемой территории, в ноябре 2022 года правительство Соломоновых островов выдало разрешение на коммерческие лесозаготовки на землях докосо, где были отмечены три из четырех особей U. vika. Представители племени подали апелляцию на это решение. Но если они проиграют, вангунских чешуехвостых крыс, вероятнее всего, ждет неминуемое вымирание. Несколько лет назад зоологи пришли к выводу, что что иракская земляная крыса Nesokia bunnii, которую с 1977 года не видели живой в дикой природе, скорее всего, еще существует. Грызун обитал в болотистой местности между Тигром и Евфратом, которую с 1991 года активно осушали по приказу Саддама Хусейна, в результате чего площадь пригодных для жизни земляной крысы мест сократилась едва ли не в 10 раз. Однако с 2003 года болота вновь увеличиваются в размерах, и анализ местности, а также фотографии особи, которая предположительно относится к виду N. bunnii, говорят о том, что численность и распространенность земляных крыс может быть выше предполагаемой.