Как бабочки помогают понять использование ресурсов организмами

С помощью уникальной летной арены энтомолог Университета Аризоны Гогги Давидовиц и его группа изучают, как гигантские бражники используют энергетические ресурсы для двух самых затратных в эволюционном плане признаков: полета и размножения.

Уникальная экспериментальная установка

В лаборатории используется специально разработанная круглая прозрачная камера размером с автомобильную шину, внутри которой бражник, прикрепленный к проволочному рычагу, летает по кругу. Эта установка, насколько известно, единственная в своем роде для насекомых.

Фундаментальный вопрос эволюционной биологии

Исследование, поддержанное грантом CAREER от Национального научного фонда (NSF), направлено на решение ключевого вопроса: по каким правилам приоритета организмы используют постоянно меняющийся и ограниченный набор ресурсов? Практически каждый эволюционный признак связан с компромиссом в энергетических затратах.

Организм должен распределять ресурсы между ростом, поддержанием жизнедеятельности, размножением, локомоцией и поведением (например, поиском пищи). Задача — выяснить, какие признаки наиболее важны для репродуктивного успеха и как они компенсируют друг друга.

Модельный организм — гигантский бражник (Manduca sexta)

Ученые отслеживают использование ресурсов у отдельных особей на протяжении всей жизни: от гусеницы, питающейся растением Datura wrightii (дурман), до взрослой бабочки, живущей около недели и тратящей ее на поиск партнера, нектара и мест для откладки яиц.

Методы исследования

  • Летная арена: Позволяет в реальном времени измерять потребление кислорода и выработку углекислого газа. По соотношению газов можно определить, сжигает ли бабочка жиры (запасенные в стадии гусеницы) или углеводы (полученные из нектара).
  • Анализатор изотопов углерода: Позволяет различить, сжигаются ли питательные вещества, полученные в стадии гусеницы или уже взрослой бабочкой.

Изучение самых энергозатратных признаков

Комбинация методов позволяет изучать два крайне затратных процесса:

  1. Полет: Мышцы для полета у насекомых имеют один из самых высоких энергозатратов. Бражники могут зависать в воздухе, что увеличивает их метаболизм примерно в 100 раз по сравнению с состоянием покоя. Они способны летать без остановки на большие расстояния (зафиксирован полет на 50 миль / 80 км в арене).
  2. Размножение: Исследователи анализируют, как ресурсы распределяются между топливом для полета и развитием яиц. При наличии нектара он может направляться на оба процесса, при его отсутствии — в ход идут запасы жира.

Более широкий контекст

Полученные знания применимы не только к насекомым. Например, у спортсменов высокие затраты ресурсов на мышечную массу могут снижать репродуктивную функцию до прекращения менструального цикла у женщин, который восстанавливается при накоплении необходимого запаса жира.

Традиционно эволюционная биология изучала эти процессы на уровне популяций и по конечному результату. Данное исследование впервые позволяет изучать распределение ресурсов в реальном времени на уровне отдельной особи на протяжении всей ее жизни.

Образовательный и просветительский компонент

В рамках гранта NSF CAREER реализуется проект Insect Discovery — программа научного outreach, охватывающая около 2000 школьников младших классов в районе Тусона ежегодно, в основном из семей с низким доходом или меньшинств. Студенты UA проводят в классах практические занятия с живыми и preserved насекомыми.