Как бабочки спасают свои крылья от перегрева

Фотографии бабочек в инфракрасном диапазоне / © Tsai, Pierce, Yu et al., Nature Communications, 2020

Сложная структура крыльев бабочек помогает им поддерживать нужную температуру в тех частях этого органа, где содержатся живые клетки.
Американские исследователи обнаружили, что определенный диапазон температур критически важен для правильной работы крыльев бабочек. Также выяснилось, что эти насекомые изящно регулируют температуру своих крыльев с помощью как структурных, так и поведенческих адаптаций. Статья об исследовании опубликована в Nature Communications.

Вопреки распространенному мнению о том, что крылья бабочек состоят в основном из неживого материала, в этих органах есть сеть живых клеток, которые функционируют в ограниченном температурном промежутке. Из-за небольшой теплоемкости крылья быстро перегреваются на ярком солнце и сильно остывают, когда температура воздуха значительно падает.

Оказалось, при помощи крыльев бабочки способны быстро и точно определять интенсивность и направление солнечного света, не задействуя при этом глаза. Команда ученых выяснила это благодаря детальному изучению внутренней структуры крыла.

Тщательно удаляя чешуйки с крыльев и окрашивая нейроны, найденные внутри, ученые выяснили, что крылья бабочки содержат сложную сеть механических и температурных датчиков. Исследователи также обнаружили «сердце крыла», которое бьется несколько десятков раз в минуту, чтобы облегчить направленный поток крови насекомых или гемолимфы через андроконии — группы чешуек, расположенных на крыльях некоторых видов бабочек и служащих для испарения феромонов.

«Большая часть исследований крыльев бабочки была сосредоточена на цветах, используемых при передаче сигналов этими существами, — говорит профессор Наоми Пирс, один из авторов исследования. — Эта работа показывает, что мы должны переосмыслить крыло бабочки как динамическую живую структуру, а не как относительно инертную мембрану».

Также ученые смогли изучить температурное распределение на поверхности крыльев насекомых. Это стало возможно благодаря неинвазивной методике, основанной на гиперспектральной визуализации в инфракрасном диапазоне. Ранее провести подобное исследование из-за хрупкости и тонкости крыла было невозможно. «Мы обнаружили, что наноструктуры различного масштаба и неодинаковая толщина кутикулы создают неоднородное распределение радиационного охлаждения, <…> что избирательно снижает температуру живых структур, таких как жилки крыла», — говорит соавтор работы Наньфан Ю.

Распределение температуры на крыльях трех видов бабочек, освещенных солнечным светом, показывает, что, несмотря на широкий разброс по окраске и рисунку, температура андроконий и жилок, которые содержат живые клетки, всегда ниже, чем в остальных частях органа / © Tsai, Pierce, Yu et. al, Nature Communications, 2020

Для оценки влияния факторов окружающей среды (таких как солнечная радиация, температура земли, влажность воздуха) ученые воспроизвели в лаборатории естественную среду обитания бабочек. Оказалось, у различных видов этих существ, независимо от цветов и узоров, те области крыльев, которые содержат живые клетки, всегда холоднее, чем «безжизненные» участки.

Когда бабочек подвергали влиянию направленного света, имитирующего солнечный, то насекомые при достижении определенного температурного порога (примерно 40 градусов по Цельсию) реагировали определенным образом, чтобы не допустить перегрева. По достижении этой температуры чешуекрылые поворачивались так, чтобы минимизировать нагрев.

Это исследование не только раскрывает новые особенности физиологии бабочек. Результаты работы американских ученых могут помочь и при разработке новых теплоизолирующих покрытий.