Жизнь в пологе леса превратила бабочек морфо в искусных планеристов

Энтомологи выяснили, что манера полета тропических бабочек из рода Morpho зависит от того, в каком ярусе леса они живут. Виды, населяющие густой подлесок, активно взмахивают крыльями и летают быстро, а их родственники из лесного полога предпочитают медленно планировать. Эти отличия сказались на форме их крыльев. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Science.

Стиль полета насекомых напрямую зависит от их экологических особенностей. Например, некоторые виды, питающиеся нектаром, научились зависать в воздухе над цветками и ловко маневрировать. А мигрирующие бабочки, такие как монархи (Danaus plexippus) и репейницы (Vanessa cardui), освоили продолжительный и энергоэффективный полет. Однако лучше всего связь между манерой полета и образом жизни заметна при изучении родственных видов, которые занимают разные экологические ниши.

Именно этим занялась команда энтомологов, которую возглавил Камиль Ле Руа (Camille Le Roy) из Национального музея естествознания в Париже. В центре внимания исследователей оказались яркоокрашенные бабочки из рода Morpho, около тридцати видов которых населяют Центральную и Южную Америку. Специалисты делят этих насекомых на две экологические группы: представители первой обитают в густом подлеске, а ко второй относятся виды, предпочитающие жизнь в пологе леса, среди древесных крон. Считается, что разделение между ними произошло около 22 миллионов лет назад.

Ле Руа и его соавторы предположили, что стиль полета разных видов морфо связан с тем, в каком ярусе они обитают. В частности, бабочки из лесного полога, где много свободного пространства, должны использовать планирующий полет чаще, чем их родственники из подлеска. Возможно, это даже сказалось на форме их крыльев.

Чтобы проверить эти гипотезы, исследователи отправились в перуанскую часть Амазонии, где в одной точке могут сосуществовать двенадцати видов из рода Morpho. Воспользовавшись высокоскоростными камерами, авторы запечатлели в дикой природе полет четырех видов морфо из подлеска и трех видов из лесного полога. В общей сложности им удалось сделать 136 видеозаписей с участием 80 особей.

Проанализировав полученные кадры, Ле Руа и его коллеги оценили частоту взмахов крыльями и продолжительность планирующего полета у каждого вида. Оказалось, что все семь видов взмахивают крыльями с примерно одинаковой частотой. Однако два вида из лесного полога, M. cisseis и M. telemachus, планируют примерно половину полетного времени — намного дольше, чем их родственники из подлеска. Неожиданно, но третий вид, обитающий в пологе леса, M. rhetenor, посвящает планирующему полету даже меньшую долю времени, чем морфо из подлеска.

На следующем этапе исследователи построили большой уличный вольер, оснащенный высокоскоростными камерами, и поместили в него 82 бабочки морфо, относящиеся к восьми видам из подлеска и трем видам из лесного полога. В результате им удалось получить 241 видеозапись. Анализ этих записей по одиннадцати кинематическим характеристикам показал, что морфо из лесного полога и из подлеска действительно летают по-разному — и эти различия не ограничиваются долей времени, которую они тратят на планирующий полет.

Во время машущего полета бабочки из подлеска сильнее взмахивают крыльями, что делает их полет более быстрым и прямолинейным. Их родственники из лесного полога, напротив, взмахивают крыльями не так активно, а летают медленнее и по более сложным траекториям. Несмотря на это, бабочки из полога леса быстрее набирают высоту, поскольку угол наклона подъема у них на 70 процентов больше, чем у видов из подлеска. Угол планирования у видов, населяющих лесной полог, на 36 процентов ниже, что позволяет им преодолевать значительные расстояния за счет пассивного полета, не теряя высоту слишком быстро.

С помощью дополнительного анализа авторы продемонстрировали, что подобные различия в манере полета бабочек объясняются в первую очередь ярусом леса, который они населяют, а не только эволюционной историей и степенью родства. Иными словами, в разных микроместообитаниях естественный отбор по-разному действует на этих насекомых, заставляя их вырабатывать разный стиль полета. В частности, переход к жизни в лесном пологе сделал из некоторых видов морфо искусных планеристов, которые взмахивают крыльями менее активно, чем их предки.

Как и предполагали Ле Руа и его соавторы, различия в манере полета отразились на форме крыльев морфо. Виды из подлеска отличаются закругленными и небольшими относительно массы тела крыльями (то есть у них высокая нагрузка на крыло — отношение массы тела к площади несущей поверхности), благодаря чему они сильнее взмахивают крыльями и движутся быстрее.

Для бабочек из лесного полога столь строгой закономерности выявить не удалось. У двух медленно летающих видов, M. cisseis и M. theus, крылья треугольные, с с небольшой нагрузкой на крыло и небольшим удлинением крыла (то есть отношением размаха к средней хорде). Напротив, у бабочек M. rhetenor, которые развивают высокие скорости и редко планируют, крылья удлиненные и с высоким отношением массы к площади несущей поверхности.

Тем не менее, когда исследователи смоделировали на компьютере крылья четырех видов морфо из лесного полога и трех видов морфо из подлеска, оказалось, что форма первых обеспечивает более эффективное планирование. M. rhetenor достигают этого за счет удлинения крыльев, а другие виды из полога леса — благодаря увеличению коэффициента отличия эффективного удлинения крыла от геометрического. Визуализация воздушных потоков показывает, что у всех видов из лесного полога на задней кромке крыльев возникает движущийся по потоку вихрь, в то время как у основания крыльев видов из подлеска формируются турбулентные вихри, которые снижают эффективность планирования.

Яркая окраска крыльев морфо и многих других чешуекрылых имеет физическую природу. Пройдите наш тест «Дифракция бабочки» и попробуйте определить цвет крыла бабочки, взглянув на его наноструктуру.

Сергей Коленов