Физические и поведенческие адаптации для предотвращения перегрева живых крыльев бабочек

Новое исследование Колумбийской школы инженерии и Гарварда показало критическую физиологическую важность подходящей температуры для правильного функционирования крыльев бабочек. Учёные обнаружили, что насекомые тонко регулируют температуру крыльев с помощью структурных и поведенческих адаптаций.

Вопреки распространённому мнению, что крылья бабочек состоят в основном из безжизненных мембран, исследование продемонстрировало, что они содержат сеть живых клеток. Для их оптимальной работы требуется определённый диапазон температур. Из-за малой теплоёмкости крылья могут быстро перегреваться на солнце, когда бабочка не летает, и слишком охлаждаться во время полёта в холодной среде. Это первое исследование, опубликованное в Nature Communications, которое изучает влияние температуры на формирование структуры и поведения крыльев.

Крылья как живые сенсорные структуры

Команда, используя экспертизу в биологии и оптике, сделала ряд важных открытий:

• Удалив чешуйки и окрасив нейроны, учёные обнаружили, что крылья насыщены сетью механических и температурных сенсоров.
• Живые ткани крыльев активно снабжаются кровеносной и трахейной системами на протяжении всей взрослой жизни (например, у репейницы — более трёх недель).
• Обнаружено «крыльевое сердце», которое бьётся несколько десятков раз в минуту, чтобы направлять поток гемолимфы через «пахучие подушечки» (андроконии) на крыльях некоторых видов.

«Большая часть исследований крыльев бабочек была сосредоточена на цветах, используемых для сигнализации между особями. Эта работа показывает, что мы должны переосмыслить крыло бабочки как динамичную, живую структуру, а не как относительно инертную мембрану», — говорит соавтор Наоми Пирс.

Термография и наноструктуры

Лаборатория Нанфан Ю разработала неинвазивную методику инфракрасной гиперспектральной визуализации. Это позволило впервые точно измерить распределение температуры по крыльям.

• Было обнаружено, что разнообразные наноструктуры чешуек и неоднородная толщина кутикулы создают неоднородное распределение радиационного охлаждения (рассеивания тепла через тепловое излучение).
• Это избирательно снижает температуру живых структур, таких как жилки крыла и пахучие подушечки.
• В экспериментах области крыльев с живыми клетками всегда были холоднее «безжизненных» регионов, несмотря на разнообразие видимых цветов и узоров.

«Наноструктуры, обнаруженные в чешуйках крыльев, могут вдохновить на разработку материалов для радиационного охлаждения, чтобы справляться с условиями чрезмерной жары», — отмечает ведущий автор Ченг-Чиа Цай.

Поведенческие реакции

Поведенческие исследования живых бабочек из шести семейств показали, что насекомые используют крылья для определения направления и интенсивности солнечного света — основного источника тепла или перегрева.

• Все изученные виды демонстрировали относительно постоянную «триггерную» температуру около 40 °C (104 °F).
• При достижении этой температуры от небольшого светового пятна на крыле бабочки в течение нескольких секунд поворачивались, чтобы избежать перегрева.

Перспективы и вдохновение

Исследователи теперь проводят масштабное систематическое оптическое изучение коллекции чешуекрылых в Гарвардском музее сравнительной зоологии.

• Каждое из тысяч образцов сотен видов будет иметь полные гиперспектральные данные — от ультрафиолета до среднего инфракрасного диапазона.
• Цель — всесторонне понять окраску и узор крыльев как результат многих биологических и физических факторов: полового отбора, предостерегающей окраски, мимикрии, камуфляжа и терморегуляции.

«Каждое крыло бабочки оснащено несколькими десятками механических сенсоров, которые обеспечивают обратную связь в реальном времени для выполнения сложных лётных манёвров. Это вдохновляет на проектирование крыльев летательных аппаратов: возможно, конструкция крыла не должна основываться исключительно на соображениях аэродинамики полёта. Крылья, спроектированные как интегрированная сенсорно-механическая система, могут позволить летательным аппаратам лучше работать в сложных аэродинамических условиях», — заключает Нанфан Ю.