Жесткие гидрофобные волоски не помешали язычку медоносной пчелы быть гибким

Китайские химики изучили строение язычка медоносной пчелы и выяснили, что на его поверхности находятся гидрофобные волоски. Они отгибаются от язычка в момент захватывания жидкости и таким образом позволяют ему быть гибким. За счет этого пчела может собирать воду с изогнутых поверхностей, пишут ученые в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Поверхности органов, которые отвечают за захватывание жидкостей, как правило, гидрофильны. Например, части ротовых аппаратов бабочек и мух, которые контактируют с жидкостью в процессе питья, легко смачиваются водой. С другой стороны, встречаются и гидрофобные поверхности, к примеру, конечности водомерок. Они не смачиваются водой, и поэтому водомерки умеют перемещаться прямо по водяной поверхности.

Свойства поверхности язычка медоносной пчелы A. mellifera L. ранее не были изучены. Но было известно, что медоносные пчелы умеют захватывать жидкость из очень разных сред. Например, они питаются нектаром из венчиков цветов и пьют воду с поверхности почвы, чтобы получать необходимые минеральные вещества. Поэтому химики под руководством У Чжигана (Wu Zhigang) из Университета Сунь Ятсеня решили изучить, какие свойства поверхности язычка позволяют пчелам эффективно захватывать воду.

Сначала химики изучили строение язычка. Они выяснили, что его длина составляет около трех миллиметров, а поверхность состоит из сегментов синего цвета. Пространство между сегментами занято группами по 16-20 жестких волосков длиной в 170 микрометров.

Химики ожидали, что поверхность язычка будет гидрофильной, чтобы пчела могла без проблем пить. Они измерили для волосков и поверхности язычка краевой угол смачивания. Если краевой угол больше 90 градусов, то жидкость образует на поверхности практически шарообразные капли, и поверхность называют гидрофобной. Если же угол меньше 90 градусов, то жидкость смачивает поверхность. Для поверхности язычка угол составил 57 градусов, а для волосков — 147 градусов. Так ученые выяснили, что поверхность язычка гидрофильна, но жесткие волоски, которые плотно покрывают язычок, гидрофобны.

Чтобы понять, как пчела захватывает воду, ученые решили исследовать поверхность волосков с помощью сканирующей электронной микроскопии. Они выяснили, что волоски покрыты тонкой пленкой слюны. По мнению авторов, она повышает смачиваемость язычка, и позволяет жидкости задерживаться на волосках, а затем проникать к гидрофильной поверхности.

Далее химики решили исследовать, как покрытый жесткими волосками язычок может изгибаться. Они заметили, что когда пчела пьет, волоски отгибаются от поверхности язычка и становятся перпендикулярно ему. Причем площадь поверхности соприкосновения с язычком увеличивается в пять раз, когда волоски меняют свое положение. Ученые предположили, что именно гидрофобность помогает волоскам легко отделяться от гидрофильного язычка. Это предположение они подтвердили экспериментами по измерению адгезии.

Затем химики смоделировали деформацию язычка двумя способами. В первом случае в момент деформации жесткие волоски отгибались от упругого язычка, а во втором — оставались у его поверхности. В результате расчета методом конечных элементов ученые выяснили, что максимальное смещение кончика язычка для первого случая составляет 216 микрометров, а для второго — всего три микрометра. При этом если рассчитывать те же параметры при условии, что и язычок, и волоски одинаково жесткие, максимальное смещение составляет только один микрометр. То есть за гибкость отвечает именно поверхность язычка, но из-за своей гидрофобности волоски легко отделяются от нее и не мешают деформации.

В результате химики выяснили, что волоски на язычке медоносной пчелы гидрофобны, и это позволяет им легко отгибаться от поверхности язычка в момент питья. Из-за этого жесткость волосков не мешает язычку деформироваться, чтобы захватывать воду из изогнутых поверхностей.

Проводить измерения краевых углов смачивания не так просто. Ранее мы рассказывали, что при правильной технике такой эксперимент может занимать целых два часа.

Михаил Бойм