Шипы на ногах позволили пеннице слюнявой прыгать по гладким листьям

Hagen Goetzke et al. / PNAS, 2019

Зоологи изучили механизм взаимодействия с гладкими поверхностями при прыжке, которым пользуются цикады вида Пенница слюнявая. Оказалось, они прокалывают субстрат острыми шипами на конечностях — это помогает им не соскальзывать с поверхности при отсутствии клейких веществ и мягких подушечек на кончиках ног, что, в свою очередь, дает им высокую начальную скорость полета, говорится в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Животные используют самые разные морфологические приспособления для перемещения по гладким и вертикальным поверхностям. Так, у гекконов на лапках есть самоочищающиеся клейкие щетинки, некоторые пауки путешествуют по ветру на воздушных шарах, а насекомые выделяют липкие вещества или несут на ногах крючочки или присоски,  однако механизмы многих видов до сих пор не изучены подробно. В новой работе ученые Кембриджского университета выяснили, как передвигаются прыгающие насекомые вида Philaenus spumarius, или Пенница слюнявая. 

Пенница слюнявая — полиморфный вид полужесткокрылых насекомых из семейства цикад-пенниц, повсеместно распространенный в России. Насекомые являются вредителями сельского хозяйства. Авторы этой работы уже делали подобное исследование для цикадок родственного вида Aphrodes makarovi — тогда они заметили мягкие подушечки на концах ног животных, усиливающие сцепление насекомых с гладкой поверхностью, однако у пенницы слюнявой ничего такого не было обнаружено. При этом животные обитают на растениях с гладкими листьями и развивают большое ускорение при прыжках. Результаты работы могут быть использованы, например, для разработки роботов, которым в поисково-спасательных операциях нередко приходится перемещаться в затрудненных условиях и по поверхностям разного типа.

Авторы исследования собрали 57 взрослых особей вида Philaenus spumarius, конечности которых изучили с помощью оптического и сканирующего электронного микроскопа. На задней паре ног животных ученые обнаружили ряды конусовидных шипов, которые могли бы препятствовать скольжению, поскольку в сидячем положении насекомого обращены к поверхности листа. Концы шипов оказались окрашены темнее окружающей светло-коричневой кутикулы, анализ их химического состава показал высокое содержание цинка.

Для того, чтобы проверить, действительно ли шипы помогают пенницам при прыжках, исследователи провели следующий эксперимент. Насекомых располагали на трех горизонтальных поверхностях, отличающихся по твердости и гидрофобности: стекло, эпоксидная смола и листья плюща. С помощью рапидной съемки ученые фиксировали движения животных, а также сравнивали скорость в начале прыжка и угол отрыва от поверхности. Съемки движений насекомых на эпоксидной смоле и листьях показали, что в самом начале перед прыжком шипы на задних конечностях протыкали поверхность и оставляли углубленные следы. Скорость при взлете после прыжка в обоих случаях в среднем составляла 3,6–3,9 метров в секунду, а угол отрыва от поверхности был около 53,2–53,6 градуса. На стекле животные, наоборот, начинали скользить, им не удавалось зацепиться, поэтому отрывались они более медленно (со скоростью около 1,1 метра в секунду), угол был круче (в среднем 71,3 градуса), а сами пенницы вращались в воздухе.

Чтобы подтвердить роль шипов в подготовке к прыжку у Philaenus spumarius, ученые окрасили листья плюща метиленовым синим. Этот краситель связывается с веществами внутренних тканей листа в месте повреждения эпителия. Чтобы окрашенные участки было лучше видно, для эксперимента брали белые листья, почти не содержащие хлорофилла. Исследователи фиксировали синие пятна там, где находились задние конечности насекомых перед прыжком. Следы в листьях располагались на том же расстоянии, что и шипы на члениках ног — расстояние между шипами на двух ногах в среднем было 51 микрометр и 38 микрометров, а на листьях 57,2 микрометра и 39,3 микрометра соответственно. Это подтвердило данные съемки и микроскопии о том, как Пеннице слюнявой удается перемещаться по гладким поверхностями.

Животным часто приходится приспосабливаться для того, чтобы выживать в неидеальном окружающем мире. Кроме проблем с передвижением, им приходится прятаться от хищников или бороться с перепадами температур. Кстати, о том, как помочь животным в городе пережить зиму, читайте в нашем блоге «Как спасти синицу».

Мария Шамшуварова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.