В статье группы американских ученых из нескольких ведущих университетов США (Гарвардского, Калифорнийского, Колумбийского) впервые проведен неинвазивный анализ термодинамических и терморегуляторных свойств крыльев бабочек, играющих важнейшую роль в жизни насекомых.

Крылья бабочек являются незаменимыми структурами, как в полете, так и в передаче различных визуальных сигналов, их цвет и форма важны для выбора полового партнера, предупреждающей окраски, мимикрии и маскировки. Хотя крылья состоят в основном из мембран, покрытых чешуйками, они также содержат сложные сети клеточных структур с многочисленными механическими сенсиллами вдоль жилок и по краю крыла, которые используются для определения изменения формы крыльев и частоты их взмахов. Обратная связь от этих механических сенсилл к центральной нервной системе участвует в формировании полета у бабочек. Крылья бабочек содержат живые клетки, для нормального функционирования которых требуется определенный диапазон температуры. Однако, крылья могут быстро перегреваться на солнце.

Регулирование температуры тела имеет решающее значение для насекомых, причем даже незначительные изменения температуры окружающей среды оказывают глубокое воздействие. Большая часть исследований по терморегуляции у взрослых бабочек была сосредоточена на изучении температуры груди, очень мало исследований было сделано по терморегуляторным и термодинамическим свойствам крыльев. Отчасти это связано с трудностью применения общепринятых методов измерения температуры к таким тонким и легким объектам с малой теплоемкостью. Например, для изучения температуры крыла бабочек применялись имплантированные в крылья термисторы (Schmitz & Wasserthal, 1993). Тем не менее, эти имплантаты имеют недостаток в том, что они существенно изменяют локальную тепловую емкость крыла и приводят к очень неточным измерениям их температуры. В другом исследовании использовались инфракрасные камеры среднего спектра (Clark et al., 1973), которые из-за полупрозрачности крыльев бабочек в этом спектре излучения также приводили к значительным искажениям оценки их температуры.

В данной статье авторы впервые разработали неинвазивную методику, основанную на инфракрасном гиперспектральном изображении, позволяющую определять температуру крыла в экспериментальных условиях, имитирующих естественную среду обитания бабочек, и получить точную оценку температуры по всему крылу.

Ранее было показано, что видимые нами цвета крыльев бабочки создаются путем осаждения пигментов в чешуйках крыла и / или при оптической интерференции или дифракции, когда падающий белый свет разлагается на лучи разного спектра благодаря особому строению чешуек (Vukusic et al., 2000). В этой статье впервые исследовали крылья бабочек не только при свете, видимом человеческим глазом, но и при длинах волн, выходящих за пределы видимого спектра, поскольку весь спектр от ультрафиолетового до среднего инфракрасного определяет термодинамические свойства крыльев бабочек.

В частности, авторы изучили термодинамические и терморегуляторные свойства крыла известного вида дневной бабочки – репейницы, Vanessa cardui. Они установили, что кровеносная и дыхательная системы остаются активными в жилках крыла на протяжении всей взрослой стадии насекомого.

Впервые обнаружено, что крылья чрезвычайно неоднородны по своим термодинамическим свойствам, причем жилки и другие живые части крыла являются более холодными, чем межжилковые области, нагревающиеся под действием солнечного света. Авторами установлено, что это достигается благодаря повышенной теплоотдаче утолщенного хитинового слоя жилок и особой структуры их чешуек, чтобы они эффективнее отдавали избыточное тепло.

В дополнение к этим структурным модификациям у бабочек есть поведенческие реакции для регулирования температуры своих крыльев. В статье впервые изучена реакция на нагревание крыльев у нескольких видов бабочек, представляющих шесть семейств с различными размерами, формой и окраской крыльев. Перегрев крыльев стимулирует бабочек к смене положения или перелету, причем значение триггерных температур, вызывающих такую реакцию, варьирует в разных семействах. Авторы обнаружили, что когда бабочки прекращают полет и садятся, то конвективное охлаждение крыльев существенно уменьшается, они могут быстро перегреться на сильном солнечном свете, при этом другие, более массивные части тела (голова, грудь и брюшко), температура которых менее изменчива, остаются при комфортной температуре. Поэтому именно температура крыла определяет, когда бабочка прекращает греться на солнце, взлетает или прячется в тень.

Таким образом, в статье благодаря новой методике оценки температуры крыльев бабочек выявлены ранее неизвестные физические и поведенческие адаптации, обеспечивающие нормальное функционирование крыльев – высокочувствительных живых структур.

• Schmitz, H. & Wasserthal, L. T. Antennal thermoreceptors and wingthermosensitivity of heliotherm butterflies: their possible role in thermoregulatory behavior. 1993. J. Insect Physiol. 39, 1007–1019.
• Clark, J. A., Cena, K. & Mills, N. J. Radiative temperatures of butterfly wings. 1973. Z. Angew. Entomol. 73, 327–332.
• Vukusic, P., Sambles, J. R. & Lawrence, C. R. Structural colour: colour mixingin wing scales of a butterfly. 2000. Nature, 404, 457.

Новость подготовил © 2020 Горностаев Н.Г.
18.02.2020