Насекомые

Ни для кого не секрет, что эволюция это крайне длительный, сложный и порой невероятно странный процесс. Стоит взглянуть на муравьеда, птичку киви или на утконоса, как сразу же начинаешь задумываться про чувство юмора матушки-природы. Однако любые адаптационные изменения, приобретенные в ходе эволюции, всегда имеют логическое объяснение и вполне практическое применение, какими бы странными на первый взгляд они ни казались. Ученые из университета Пердью (США) решили повнимательнее изучить необычного жука вида Nosoderma diabolicum, который способен выдерживать внушительное давление. В чем особенность строения жука-экстремала, насколько он вынослив, и как человек может использовать секреты жука в инженерии? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Прежде всего стоит познакомиться с главным героем сего исследования. Жук Nosoderma diabolicum (или Phloeodes diabolicus), также называемый дьявольский броненосный жук, что для самого жука, скорее всего, крайне обидно, принадлежит к семейству зофериды (Zopheridae). Обитает данный вид на западном побережье Северной Америки.


Nosoderma diabolicum

Внешний вид дьявольского жука и стал причиной столь нелестного имени. Обитая под корой лиственных и хвойных деревьев, они стараются всячески слиться с окружением. Ввиду этого их черный панцирь покрыт шероховатостями, придающими ему немного устрашающий вид. Кроме того, этот жук не только маскируется, но и в случае опасности притворяется мертвым.

Забыв про эстетику, можно уверенно сказать, что основной чертой, отличающей дьявольского жука от многих других насекомых, является отсутствие крыльев. Такое строение тела не было изначальным, а проявилось в ходе эволюции.

Подготовка к взлету божьей коровки.

Вспомните, как выглядит, например, божья коровка во время взлета. Ее крылья спрятаны под раскрывающимися элитрами (надкрыльями), которые являются частью прочного экзоскелета. У некоторых насекомых элитры в полете не участвуют, либо их летные функции крайне ограничены.

Но вот дьявольский жук-броненосец когда-то давным-давно решил избавиться от крыльев полностью. Логично, что в таком случае элитры ему больше не нужны, и они могли бы эволюционировать из двух частей в цельный панцирь без швов и стыков. Однако все произошло несколько иначе.

Результаты исследования

Чтобы оценить устойчивость P. diabolicus к внешним нагрузкам, которые могут возникнуть в его естественной среде обитания, были проведены испытания на сжатие всего его экзоскелета и сравнение максимальной прочности на сжатие с показателями других жуков, обитающих в регионе южной Калифорнии.


Изображение 1

Для сравнительного анализа были выбраны виды жуков, которые обладают схожими защитными механизмами как в структуре панциря (защита от давления и клевания), так и в поведении (танатоз мнимая смерть): Asbolus verrucosus, Eleodes grandicollis и Cryptoglossa muricata.

В начале сжатия P. diabolicus демонстрирует изменение жесткости с 115 Н/мм до 291 Н/мм при смещении 0.64 мм (1c). Разрушение панциря происходит при максимальной силе в 149 Н (среднее значение 133 16 Н). Эти показатели примерно в 39000 раз превышают вес его собственного тела. Для сравнения: взрослый человек, сжимающий большой и указательный пальцы вместе, создает силу в 43.0 18.4 Н.

Другие жуки, участвующие в опытах, смогли выдержать пиковую нагрузку не больше 68 Н, а отношение прочности к массе у них гораздо ниже, чем у дьявольского жука (вставка на 1с). Asbolus verrucosus показывал схожие с P. diabolicus результаты, но на середине процесса деформирования (т.е. при 50% от нагрузки) началось разрушение панциря.


Результаты тестов на сжатие.

Помимо микроструктурных, наномеханических и композиционных особенностей надкрылий (график и снимки выше), внутри экзоскелета дьявольского жука было обнаружено две важные особенности:

• медиальный шов, который навсегда соединяет два надкрылья вместе (1e);
• латеральные (боковые) интерфейсы, соединяющие надкрылья с брюшной кутикулой и поддерживающие их (1f).

На медиальном шве расположены необычные образования, напоминающие выступы на кусочках пазла (видео ниже).

Медиальный шов P. diabolicus, соединяющий два надкрылья.

Сравнение P. diabolicus с его летающими родственниками показало, что такие образовании необходимы для взлета и полета насекомого (1g).

Как мы уже знаем, жуки вида P. diabolicus предпочитают прятаться под корой, камнями или под слоем опавшей листвы. Это помогает им справляться с климатическими изменениями и избегать нежелательных встреч с потенциальными хищниками. Однако, когда тебя не видно, есть вероятность быть случайно раздавленным. Следовательно, жуки этого вида должны выдерживать внешнюю нагрузку, не повреждая свои внутренние органы (2а).


Изображение 2

Анализ дьявольского жука с помощью компьютерной томографии (КТ) выявил заполненную воздухом область под надкрыльями (субэлитральная полость), расположенную над брюшной полостью (черное пространство на 2a).


Сравнение макро- и микроструктур панциря у наземных и летающих жуков: P. diabolicus, A. verrucosus, C. muricata, E. grandicollis и T. dichotomus (по рядам сверху вниз).

Дальнейший анализ посредством КТ и СЭМ (сканирующий электронный микроскоп) показал наличие трех латеральных интерфейсных архитектур, которые обеспечивают поддержку надкрыльев над брюшной кутикулой: гребенчатые, защелкивающиеся и свободно расположенные элементы (2b). Также выяснилось, что эти элементы плавно сливаются друг с другом по всей длине тела (видео ниже).

Варианты латеральных интерфейсов, соединяющих надкрылья с брюшной кутикулой у P. diabolicus.

Моделирование всего экзоскелета P. diabolicus при сжатии предполагает, что напряжение сконцентрировано по периметру кутикулы, при этом нагрузка передается на брюшную часть через первый и второй типы латеральной поддержки, описанные выше.


Модель экзоскелета дьявольского жука во время сжатия, созданная методом конечных элементов.

Практические опыты на сжатие и моделирование (изображение выше) изолированных секций панциря демонстрируют вариации жесткости и максимального смещения между опорами (2с и 2d).

Первая опора включает почти полное шовное пересечение, соединяющее надкрылья с брюшной кутикулой и показывающее наиболее жесткую механическую реакцию. Этот высоко интегрированный сустав обеспечивает максимальную защиту грудной клетки и жизненно важных органов, формируя неподвижную опору у основания дугообразных надкрылий, чтобы противостоять изгибающим моментам.

Механические испытания и компьютерная томография подтвердили, что максимальное смещение поперечного сечения до разрушения пропорционально высоте субэлитральной полости.

Вторая опора включает фиксирующую конструкцию, которая блокируется при сжатии, позволяя выдержать смещение на 40% больше при минимальном напряжении на интерфейсе (2c).

При более внимательном рассмотрении поверхности интерфейсов был обнаружен обширный массив стержневидных элементов (микротрихии) размером 2х2 мкм (2b). Подобно волосковидным выступам, которые летающие жуки используют для удержания своих крыльев, микротрихии у дьявольских жуков имеют меньшее соотношение сторон (1:1 против 1:5 у летающих жуков) и, вероятно, обеспечивают фрикционный захват для предотвращения скольжения во время нагрузки.

В случае, когда нагрузки нет, вторая опора (задняя область надкрылий) не имеет никакой механической связи между надкрыльями и брюшной кутикулой.

Двумерные модели поперечного сечения кутикулы в различных местах боковой опоры при сжимающей нагрузке показывают, что напряжение на любой из боковых поверхностей интерфейса более чем на порядок ниже, чем в медиальных швах (2d). Трехмерная модель кутикулы под сжимающей нагрузкой подтверждает, что напряжение существенно падает на боковых опорах для отдельно расположенных опор по сравнению с встречно-гребенчатой опоры.

Данные наблюдения могут свидетельствовать о том, что отдельные и взаимосвязанные опоры обеспечивают отклонение надкрылий и, следовательно, увеличивают поглощение энергии во время сжатия. Таким образом обеспечивается повышение податливости (антипод жесткости). А встречно-гребенчатые опоры в этот момент увеличивают жесткость. Другими словами, в разных участках тела жука имеются разные по функционалу опоры, которые в совокупности позволяют защитить внутренние органы насекомого во время сжатия.

Самой же любопытной частью экзоскелета дьявольского жука с точки зрения защиты является медиальный шов. Данный элемент является результатом того, что жук в ходе эволюции из летающего превратится в наземного. Медиальный шов обеспечивают механическое соединение его надкрылий (3а).


Изображение 3

Жуки других видов также имеют подобные образования, предотвращающие разделение надкрылий. Однако у дьявольского жука медиальный шов все же отличается от остальных.

Моделирование экзоскелета P. diabolicus показало относительно однородное распределение напряжения по шву из-за его эллиптической геометрии и количества соединений (3b). У других же видов в этих областях наоборот наблюдалось повышенное напряжение, особенно в местах контакта встречно-гребенчатых структур.

Геометрический анализ элементов шва (зубцов, напоминающих элементы пазла, которые необходимы для соединения кусочков) P. diabolicus показал соотношение 1.8:1 между большой полуосью (b) и точкой фокусировки (a), при этом первичная геометрия каждого элемента параметрически представлена в виде трех идентичных эллипсов, соединенных друг с другом на расстоянии под определенным углом (3c). Угол контакта между эллипсами составляет 25, что дает механическую блокировку, которая предотвращает разделение надкрылий при растяжении. Кроме того, равномерное распределение напряжений на интерфейсе лопаток панциря увеличивает максимальную жесткость на растяжение и сдвиг, а также прочность и вязкость разрушения.

Из этих данных следует, что пазлообразная структура медиального шва, эллиптическая геометрия его элементов, а также их количество в совокупности позволяют равномерно распределять напряжение и предотвращают разрыв между механически блокируемыми элементами.

Опыты на растяжение образцов, напечатанных на 3D-принтере, и соответствующее моделирование выявили линейную зависимость между количеством зубцов и повышенной жесткостью, и между ударной вязкостью и нормализованной пиковой нагрузкой медиального шва.

Увеличение количества зубцов приводит к более равномерному распределению неупругой деформации. За счет этого соединенные надкрылья, хоть и являющиеся отдельными частями, по своим свойствам напоминают однородный материал (3d).

Более тщательный анализ показал, что максимальная прочность наблюдается у швов с двумя зубцами, тогда как максимальная жесткость наблюдается у образцов с пятью, а пиковая нагрузка с четырьмя зубцами (3e). Чем меньше задействовано зубцов, тем меньше концентрация неупругих деформаций на шейке зубца (зауженная область зубца у его основания). Такое неупругое распределение деформации может объяснить переход от пластичного разрушения (вырывание с повреждением вокруг зубцов) к хрупкому разрушению (разрушение в области шейки) при увеличении количества зубцов или при уменьшении их размера.


Изображение 4

Далее были рассмотрены различные микроструктурные эффекты, связанные с медиальным швом.

При более внимательном рассмотрении поперечных сечений медиального шва (4a) была выявлена многослойная архитектура, которая при растягивающей нагрузке показывает разрушение матрицы, указывая на локальное расслоение (4b). Контрастная визуализация показывает степень расслоения зубцов, что свидетельствует о снятии напряжения (4c). При увеличении деформации наблюдается значительное расслоение с разделением волокон между слоями (желтые стрелки на 4d).

В отличие от однородных материалов, которые обычно ломаются в области зубца или самого тонкого элемента, микроструктура внутри зубцов дьявольского жука обеспечивает значительное снятие напряжения и рассеивание энергии, предотвращая разрушение шейки зубца.

Для лучшего понимания микроструктурных особенностей геометрии зубцов были созданы три модели пазла с различными значениями угла (15, 25 и 50).

Во всех трех случаях первичные соотношения сторон эллипсов постоянны и равны 1.8:1, а зубцы, напечатанные на 3D-принтере, имеют многослойную архитектуру, имитирующую таковую у дьявольского жука.

Зубцы с углом 25 продемонстрировали более высокие нормированные значения пиковой нагрузки и ударной вязкости (4e). Подобное наблюдалось и при 15, однако при увеличении угла до 25 (как у дьявольского жука) возникает значительная деформация с последующим отслаиванием с последующим вырыванием.

Дальнейшие эксперименты на растяжение и моделирование методом конечных элементов выявили распределение деформации, и подтвердили наличие расслоения между слоями зубца перед вытягиванием волокон (4f).

Наконец, у сильно изогнутого зубца ( = 50) наблюдается значительная деформация шейки, за которой следует перелом (без видимого отслоения).

Эти данные говорят о наличии конкурирующих механизмов. С одной стороны мы имеем эллиптическую геометрию, которая обеспечивает максимальное сцепление и прочность шва. С другой расслоение зубцов, предотвращающее локальные напряжения, которые могут вызвать разрушение шейки зубца.

Вывод заключается в том, что тип механического соединения на медиальном шве дьявольского жука обеспечивает надежное соединение надкрылий и более предсказуемый отказ в случае деформации, чем у других жуков.

На заключительном этапе исследования ученые решили применить полученные знания и создать биомиметические композитные аналоги медиального шва дьявольского жука. Полученные образцы тестировали и сравнивали с полимерной нитью, зубцами на полимерной основе и со стандартной аэрокосмической конструкцией Hi-Lok, которая используется для соединения, например, конструкций из алюминиево-углеродного композита.


Примеры Hi-Lok креплений.

Оценка распределения деформации, прочности и рассеивания энергии (4g) показала, что композитные зубцы, имитирующие шовный материал жука, немного прочнее (около 19 1.08 МПа), чем современные инженерные крепежные детали (около 18 0.73 МПа). При этом они демонстрируют существенное увеличение (более чем 100%) рассеяния энергии во время смещения (158.0 30.4 МПа/мм против 76.5 1.4 МПа/мм).

У дьявольского жука наблюдается равномерное распределение напряжения внутри зубца (4h), с локальным отслаиванием, позволяющим избежать разрушения шейки, которое происходит в обоих контрольных образцах (то есть в углеродной нити и зубцах на основе полимера).

Крепеж Hi-Lok демонстрирует локальное распределение деформации вокруг штифтового соединения и приводит к выходу из строя и разъединению пластин. Однако слоистая микроструктура внутри композитного зубца демонстрирует более постепенное разрушение, поскольку расслоение внутри лезвия заставляет шейку структуры расширяться в поперечном направлении, блокируя структуру вместо разрушения или сужения/удлинения до разрушения.

Авторы исследования рассказывают о своих находках.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

С точки зрения науки, природа всегда была вдохновением для человечества. Множество даже самых современных технологий тем или иным образом берут свое начало из чего-то, что встречается в природе.

В данном труде ученые изучили экзоскелет дьявольского жука, которого с уверенностью можно назвать одним из самых живучих насекомых планеты. В ходе эволюции, отказавшись от умения летать, этот жук не просто лишился крыльев, но преобразовал надкрылья в сложную структуру, оснащенную механическими компонентами и продуманной микроструктурой. Надкрылья соединены между собой зубцами, как кусочки пазла, что обеспечивает повышение прочности и сопротивления сжатию.

Для человечества это открытие имеет не только интеллектуальную ценность, но и практическое применение. Тесты с искусственными аналогами медиального шва дьявольского жука, сделанными из композитных материалов, показали, что их свойства превосходят таковые даже у крепежной системы Hi-Lok, которая используется в современной космонавтике.

Иногда можно услышать фразу: что бы вы не делали, природа это уже сделала, причем лучше. Учитывая исследования, подобные рассмотренному нами сегодня, начинаешь верить этому высказыванию все больше и больше.



Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Эволюция подарила нам множество необычных животных. Некоторые из них настолько необычны, что их первооткрывателей называли мошенниками (как это было с утконосами в 1797 году). Но не только фауна может похвастаться нестандартными видами, среди представителей флоры также есть белые вороны, а именно растения, не желающие сидеть на солнечной диете, а предпочитающие сочных насекомых и другую мелкую живность в качестве блюда дня. Ранее мы с вами уже знакомились с исследованием, в котором ученые рассматривали венерину мухоловку и ее маргинальные шипы. Сегодня же нам предстоит узнать, насколько эти шипы чувствительны. Ученые из Цюрихского университета (Швейцария) провели ряд практических опытов, целью которых было измерение скорости реакции венериной мухоловки на прикосновения той или иной силы. Как именно ученые щекотали мухоловку, насколько быстро она реагировала, и как полученные результаты поясняют гастрономические предпочтения растения-хищника? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Дабы не растягивать сие повествование, описание венериной мухоловки (которое уже было использовано в предшествующей статье) спрятано под спойлером:


Основная идея механизма срабатывания ловушки венериной мухоловки заключается в том, что будущей добыче необходимо произвести два касания к чувствительным волоскам растения в течение 30 секунд. Каждое их касание производит потенциал действия*, необходимый для закрытия ловушки. Ученые считали так на протяжении 200 лет, но соответствует ли теория практике?

За годы исследований ученые вывели сценарий событий, который должен (по идее) разворачиваться во время охоты мухоловки:

• голодное растение привлекает насекомых за счет секреции летучих соединений;
• не шибко смекалистое насекомое исследует растение (надеясь на халявную пищу), во время чего касается одного из шести чувствительных волосков, тем самым вызывая потенциал действия (AP от action potential);
• если насекомое в течение 30 секунд не сообразило, что Its a trap!, и совершило второе касание, то ловушка захлопывается;
• заключенная между створками ловушки добыча начинает сопротивляться (тщетно, естественно), что приводит к активации синтеза жасмоновой кислоты (C₁₂H₁₈O₃) и еще более плотному закрытию створок.

В результате ранее открытые лепестки мухоловки превращаются в своеобразный желудок, где и будет перевариваться неудачливая добыча.

В данном труде ученые решили детально рассмотреть процесс преобразования механической стимуляции чувствительных волосков в электрический сигнал. Мы точно знаем, что касание к чувствительным волоскам открывает механочувствительные ионные каналы, но идентифицировать эти каналы пока еще не удавалось.

Пока эти предполагаемые каналы открыты, рецепторный потенциал* (RP от receptor potential) возрастает, и, если отклонение волоска достаточно велико, RP достигает порога, выше которого проявляется AP.

Потенциал действия* волна возбуждения, котороя проходит по мембране живой клетки в виде кратковременного изменения мембранного потенциала.

Рецепторный потенциал* возникает при деполяризации поверхностной мембраны рецептора, ввиду воздействия на него раздражителя.

Потенциал покоя* мембранный потенциал возбудимой клетки в невозбужденном состоянии.

Изображение 1

Ранее уже были попытки связать механические стимулы и генерацию потенциала действия, но не было подходящих инструментов для точных измерений. В случае рассматриваемого нами сегодня исследования, ученые применили датчик силы на основе MEMS*, установленный на микророботной системе, для точного контроля скорости и амплитуды отклонения, а также одновременного измерения приложенной силы (1A и 1B).

MEMS* (микроэлектромеханические системы) устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Изображение 2

Таким образом, ученые смогли точно определить диапазон параметров, в котором отклонение волосков приводит к закрытию ловушки, в то время как второй датчик силы измерял сгенерированное мгновенное усилие (изображение выше).

Результаты исследования

В процессе опытов ученые учли, что пауки, мухи и муравьи (обычная добыча для мухоловки) будут вызывать достаточно быстрое отклонение чувствительных волосков. В связи с этим микророботная система была задействована на полной скорости, чтобы имитировать эти раздражители. Это привело к высокой начальной угловой скорости в диапазоне от 10 до 20 рад/с.

В ранее проведенных исследованиях было установлено, что муравьи отклоняют чувствительные волосы с угловой скоростью 0.25 7.8 рад/с, но медленнее мух. Следовательно, используемые параметры выше реальных, что хорошо подходит для оценки возможностей венериной мухоловки.

При таких высоких скоростях продолжительность прогиба значительно короче, чем у других вовлеченных зависящих от времени факторов, таких как затухание RP и расслабление чувствительных волосков (1F).

Учет углового, а не линейного отклонения позволил скорректировать различия в высоте контакта сенсорного зонда относительно места сужения сенсорного волоска, а также различия, касающиеся разных геометрий сенсорного волоска (1B, 2C и 2D). Следовательно, одно отклонение может быть аппроксимировано дискретным увеличением углового смещения, и запуск AP в основном зависит от величины углового смещения.

Одно отклонение было определено как комбинация углового смещения вперед-назад, подобное тому, что происходит при касании к волоску добычей. Каждое измерение состояло из двух последующих прогибов с промежутком в 1 с между ними до заданного углового смещения . Если ловушка не закрылась, следовал этап ожидания (2 минуты), чтобы убедиться, что RP полностью сброшен. Ожидание в течение именно двух минут, а не больше/меньше, обусловлено тем, что серия более ранних экспериментов продемонстрировала, что при температуре ниже 30 C для быстрого и полного закрытия ловушки необходимы два прогиба волоска в течение 3040 с.

После этапа ожидания процедуру повторяли с увеличением угловых смещений до тех пор, пока не срабатывал механизм закрытия ловушки (1С и 1D). Это происходило, когда был достигнут средний порог смещения = 0.18 рад или средний порог крутящего момента = 0.8 мкНм (n = 21).

Ученые отмечают, что ни разу не было зафиксировано закрытие ловушки, если был ниже 0.12 рад и был ниже 0.50 мкНм (1Е). Следовательно, эти показатели являются нижним пределом углового отклонения, который необходим для запуска закрытия ловушки в условиях данного эксперимента. Также удалось определить, что для срабатывания ловушки насекомое должно прикладывать силу (F) в 0.5 мН вблизи кончиков волосков или 5 мН вблизи основания.

Измерения AP обеспечили связь между отклонением чувствительных волосков и закрытием ловушки. Когда два последовательных отклонения были значительно ниже порога смещения ( << 0.12 рад), AP не наблюдался. Для амплитуд отклонения вблизи порога смещения ( < 0.12 рад) после второго отклонения был выявлен однократный AP.

Это указывало на то, что оба отклонения волосков вносят вклад в RP и что порог индукции AP был достигнут только при втором отклонении. Как и ожидалось, однократного AP было недостаточно для срабатывания ловушки.

Предположение, что каждое прикосновение вызывает AP, реально только в том случае, если отклонение сенсорных волосков превышает порог смещения. Если это так, то два AP (по одному на каждое отклонение волоска) генерировались и приводили к закрытию ловушки (1С).


Двойное отклонение чувствительных волосков, приводящее к двум AP и закрытию ловушки.

Эти результаты предполагают, что быстрое отклонение чувствительных волосков увеличивает RP до определенного уровня, который зависит от амплитуды углового отклонения. RP могут складываться и могут вызывать AP после нескольких отклонений, если они ниже порога отклонения. Тем не менее, генерация одного AP за касание происходит только в том случае, если отклонение чувствительных волосков выше порога отклонения.

Другими словами, потенциал действия будет генерироваться только тогда, когда чувствительный волосок был потревожен достаточно сильно. Но однократного потенциала действия недостаточно, чтобы спровоцировать закрытие ловушки. Это вполне вписывается в рамки теории о том, что мухоловки не будут тратить силы на закрытие ловушки при каждом касании чего-то или кого-то к их волоскам. В противном случае может быть много холостых срабатываний ловушки без какой-либо энергетической (т.е. питательной) отдачи (добыча успела сбежать, добыча была слишком мала или это вовсе была не добыча, а мусор).

Учитывая, что увеличение RP при многократных отклонениях является аддитивным, логично будет предположить, что устойчивое (длительное) смещение волоска может иметь аналогичный эффект.

Для проверки этой гипотезы ученые отклонили чувствительный волосок мухоловки за пределы порога углового смещения и зафиксировали его в таком положении на 30 секунд (1F). Однако это не привело к срабатыванию ловушек.

Изначальное смещение вызвало однократный AP, после чего напряжение быстро вернулось к базовому значению, несмотря на то, что волоски оставались отклоненными.

Если бы устойчивое смещение вносило свой вклад в RP, оно должно было бы остаться выше порогового значения, и в этом случае ожидалась серия AP. Дополнительные анализы показали, что угловое смещение действительно играет важную роль в RP, но статическое отклонение волосков не вносит никакого вклада в этот процесс.

Любопытно, что в ранее проводимых опытах ситуация обстояла иначе: однократное смещение волосков приводило к закрытию ловушки. Однако, это было не целостное однократное смещение, а множество мелких смещений, так как колебания, которые сопровождаются ручным отклонением волоска, вероятно, больше, чем порог углового смещения.

Следующий этап исследования заключался в создании модели накопления электромеханического заряда (ECB от electromechanical charge buildup), которая на удивление предсказывает закрытие ловушек от однократного касания.

Взяв за основу полученные в ходе опытов данные, ученые разработали простую модель для изучения пределов углового смещения и скорости, в рамках которых ловушки будут реагировать.

В ECB модели механическое отклонение приводит к накоплению заряда RP как функции угловой скорости и смещения , в то время как заряды непрерывно рассеиваются. Если накопленные заряды превышают определенное пороговое значение Q^th_RP, то возникает AP. Дополнительно был имплементирован рефрактерный период t_RP, представляющий временной интервал, необходимый для того, чтобы мог быть активирован еще один AP.

В результате модель предсказала, что если отклонения слишком быстрые и/или слишком малые, то может потребовать более двух таких отклонений, чтобы вызвать закрытие ловушки (красная область на 3А).


Изображение 3

Это объясняется тем, что одного отклонения недостаточно для активации AP (3В), что и показали практические опыты (1С, в центре).

Аналогично, модель показала, что очень низкие угловые скорости ( < 0.04 рад/с) не могут заполнить RP.

Но самым неожиданным результатом моделирования стало предсказание диапазона промежуточных угловых скоростей (0.04 рад/с < < 10 рад/с), при которых одного отклонения достаточно, чтобы активировать два или более AP, которые необходимы для закрытия ловушки (3B).

Однако такое предсказание противоречит представлению о том, как работает механизм ловушки венериной мухоловки. Потому ученые решили проверить, можно ли реализовать эту модельную ситуацию на практике.


Однократное отклонение чувствительных волосков, приводящее к закрытию ловушки.

Удивительно, но закрытие ловушки действительно происходило при одиночном отклонении волосков, если угловые скорости были достаточно низки.

Чтобы сузить диапазон значений, в котором это происходит, ученые неоднократно отклоняли одни и те же сенсорные волоски с различными угловыми скоростями, пока ловушка не закрылась. Между двумя последовательными отклонениями был промежуток в 2 минуты, пока ловушка не восстановится и не исчерпается RP.

Нижняя граница угловой скорости , необходимой для закрытия ловушки при одном отклонении, определялась путем постепенного увеличения угловой скорости после каждого отклонения (n = 17). Начальная скорость была ниже 0.009 рад/с, так как при такой скорости никогда не наблюдалось закрытия ловушки.


Изображение 4

Последующие одиночные отклонения волосков выполнялись при постепенном увеличении скорости, пока ловушка не срабатывала (4А).

Аналогичным образом определяли верхнюю границу, начиная со скорости > 3 рад/с с последующим пошаговым снижением (n = 9).

Кроме того, была выполнена еще одна серия экспериментов с одним отклонением (n = 5), в которой скорость силового зонда поддерживалась постоянной, что приводило к промежуточной угловой скорости между 0.2 и 0.4 рад/с, в то время как угловое смещение постепенно увеличивалось во время последующих отклонений, чтобы получить нижнюю границу , необходимую для срабатывания ловушки в условиях однократного отклонения волосков.

Все однократные отклонения, приводящие к закрытию ловушки, вместе с предшествующими стимулами, для которых закрытие ловушки не происходило, определяли область, где одиночное отклонение вызывает закрытие (4B).

Однократное отклонение может вызвать закрытие ловушки при промежуточных угловых скоростях отклонения (0.03 рад/с 4 рад/с). Но одного отклонения при более низких или высоких скоростях будет недостаточно.

Эксперименты, где скорость отклонения волосков была достаточно низкой, показали, что срабатывание ловушки происходит как при приближении датчика к основанию волоска, так и при удалении датчика от него.


Однократное отклонение чувствительных волосков, приводящее к двум AP во время начального изгиба, приводя к закрытию ловушки.

Когда ловушка закрывалась во время приближения зонда, во время отклонения волосков наблюдалось два последовательных потенциала действия (4C). Когда ловушка закрывалась во время удаления зонда, один АР возникал в момент отклонения волоска, а второй уже после удаления зонда, когда волосок возвращался в исходное положение (4D). В обоих случаях второй АР приводил к немедленному закрытию ловушки.

В заключение ученые решили измерить силу закрытия ловушки (5А).


Изображение 5

Для 48 ловушке среднее значение силы захвата F_close составило 73 мН (5В), а диапазон значений был от 18 до 174 мН.

Данные значения ниже тех, что были опубликованы ранее (140-150 мН). Тому есть объяснение: в данном случае измерялась сила в начале закрытия ловушки, а в предыдущих наблюдениях измерялась сила, воздействующая на края створок листа-ловушки по завершению закрытия.

Поскольку измеренная сила сильно зависит от положения датчика, а также от ориентации и размера листа, крутящий момент закрытия вокруг середины листа _close со средним значением 0.65 мНм является лучшей величиной для описания силы закрытия ловушки (5C). Время задержки, то есть время между механическим стимулом и началом закрытия ловушки, составило 0.6 0.3 с.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Венерина мухоловка не бегает, как гепард, не обладает смертоносным ядом, как кобра, и уж точно не слышит свою добычу, как сова. Но это растение действительно является одним из лучших хищников на планете, так как его механизм охоты работает, как часы.

В данном труде ученые смогли определить какими должны быть те или иные параметры, чтобы ловушка сработала. Как оказалось, в большинстве случаев для срабатывания капкана жертва должна совершить две последовательные ошибки: первая дотронуться до сенсорного волоска мухоловки; вторая сделать это еще раз.

Повторное отклонение волоска от его изначального положения приводит к генерации второго потенциала действия, который запускает процесс закрытия ловушки. Тем не менее, моделирование показало, что при определенных условиях может быть достаточно и одного касания, но в реальности это скорее всего маловероятно.

Другими словами, может ли венерина мухоловка послужить в качестве охотника на комаров? Нет, ибо эти кровососы очень маленькие и слишком шустрые. Но вот мух или улиток мухоловка не жалеет.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Насекомые по праву считаются самыми многочисленными и разнообразными представителями фауны. Они живут во всех уголках нашей планеты: от тропических джунглей Амазонки до каменистых берегов Гренландии. Среда обитания в сопряжении с эволюционными изменениями породили множество уникальных видов, чей внешний вид, повадки или гастрономические предпочтения не перестают удивлять. Одними из самых необычных представителей класса насекомых можно с уверенностью назвать светляков, способных излучать свет за счет специальных органов (лантерн). Но не только сам факт свечения удивителен, но и то как он применяется. Ученые из университета Колорадо (Боулдер, США) попытались понять, как у светляков вида Photinus carolinus происходит синхронизация свечения. Как проводилось исследование, чем отличается поведение роя светляков от одиночных особей, и в чем же секрет синхронизации свечения? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Как мы уже поняли, в мире удивительных видов насекомых полно, особенности которых способны поразить воображение даже самого искушенного энтомолога: жук-бомбардир выстреливает горячей жидкостью для самозащиты, палочник в ходе эволюции стал мастером камуфляжа, муравьи столь многочисленны, что занимают около 25% от общей биомассы планеты, а осу вида Ampulex compressa можно легко сравнить с ксеноморфом. Список интересных фактов можно продолжать бесконечно, учитывая что на Земле обитает порядка 6-8 миллионов видов.


Видео о том, как именно светлячки излучают свет.

Светляки это не отдельный вид, а целое семейство, насчитывающее порядка 200 видов. Обитают они как в тропиках / субтропиках, так и в умеренном климатическом поясе, хоть и в меньшем числе. Светляки по большей степени являются ночными насекомыми, что вполне логично, учитывая их особенность (кому нужен фонарик средь бела дня).

На теле светляков имеются специальные органы свечения (лантерны от итальянского lanterna, т.е. лампа). Это может быть либо одиночный крупный орган на конце брюшка, либо множество более мелких органов, расположенных в определенном порядке по всему телу.

Назначение свечения достаточно поэтично поиск партнера. Когда наступает закат самцы светляков начинают летать и светиться, тем самым привлекая внимание самок. Дамы, чаще всего лишенные крыльев, наблюдают за шоу и выбирают самого подходящего кандидата для спаривания.

Что происходит дальше, зависит от вида светляков. Дело в том, что сигнатура свечения у разных видов разная, от чего и язык общения внутри вида разный. Сгруппировать сигналы можно в такие категории: поисковые, призывные, отказные, агрессивные, посткопулятивные (после спаривания). Самцы одних видов испускают призывные и поисковые сигналы, а самки только призывные. А вот самцы вида Lampyris noctiluca испускают исключительно призывные сигналы. У других же видов отличий в сигналах может и не быть вовсе.


На фото представлены личинка (сверху слева), самец (снизу слева) и самка (справа) светляков вида Lamprohiza paulinoi.

Нестандартное поведение наблюдается в сигналах самок из рода Photuris. Они способны излучать свечение, призывающее самцов из другого рода (Photinus). Делают они это не из-за романтических побуждений. Самки Photuris являются хищниками, а самцы Photinus, одурманенные их свечением, становятся ужином. Любопытно, что самцы рода Photuris призывают своих кровожадных дам, излучая свечение самцов Photinus. Когда самка находится достаточно близко, самец переключает подставное свечение на свое собственное.


Самка Photuris, поедающая самца Photinus.

Другими словами, свечение для светляков это самый настоящий язык, т.е. инструмент коммуникации. Тем интереснее синхронное свечение.

Лишь небольшое число видов обладает способностью синхронно светиться. Когда начинается закат, начинается и свечение, достигающее апогея синхронизации спустя 10-15 минут. Столь красивое явление было впервые описано немецким путешественником и натуралистом Энгельбертом Кемпфером (1651-1716), который наблюдал его во время своего путешествия в Таиланд в 1680 году.


Свечение Photinus carolinus, национальный парк Грейт-Смоки-Маунтинс (Great Smoky Mountains National Park).

В рассматриваемом нами исследовании главным героем является вид Photinus carolinus, особи которого обладают даром синхронного свечения.

Ранее проведенные наблюдения за колониями P.carolinus показали, что самцы этого вида синхронно мигают каждые T_f 0.5 с в течение нескольких секунд, а затем коллективно прекращают это делать. Такие циклы происходят каждые T_b 12-14 с в течение 3 часов после захода солнца.

В попытках понять суть синхронного свечения были созданы математические модели. Как показано в этих моделях, для всестороннего понимания коллективного поведения светлячков требуется не только временная, но и пространственная информация о вспышках, которой у исследователей ранее не было. Именно этот пробел и решили заполнить авторы рассматриваемого нами исследования.

Для этого они засняли процесс синхронного свечения с разных ракурсов одновременно, что позволило смоделировать трехмерную модель сего процесса. Во время наблюдений использовались камеры кругового обзора (т.е. 360).


Изображение 1

Как заявляют ученые, подобный подход не использовался ранее в изучении светляков. Обычные камеры позволяют получить достаточно данных в условиях небольших скоплений светляков, но не дают полной картины поведения многочисленных групп особей, так как камеры необходимо размещать за пределами коллективной динамики, а в кард попадает лишь часть происходящего (1а). Камеры кругового обзора можно размещать буквально посреди роя и получать полноценную информацию о происходящем.


Видео 1: поведение светляков в естественной среде, зафиксированное 360-камерой.

Наблюдения за светляками проводились как в естественной среде, так и в контролируемых условиях. Также велось наблюдение и за поведением особей в зависимости от численности роя (1, 5, 15 и 40 особей).

Результаты исследования

Трехмерная реконструкция вспышек в естественной среде обитания (5-минутный интервал, начиная с 22.00) показывает, что рой P. carolinus точно следует по склону окружающей местности и, в частности, мигает почти исключительно на высоте 2 м над землей (2d2g; видео 2).


Изображение 2

При рассмотрении сверху существуют ограничения техники визуализации: вспышки дальше 10 м не фиксируются, а визуальная окклюзия создает значительные слепые зоны. Однако в триангулированных положениях видны четкие полосы света (2d).


Видео 2: реконструкция поведения светляков и их свечения (соответствует изображению 2).

На каждом кадре видеозаписи фиксировалось 0, одна или несколько световых вспышек. Временной ряд количества вспышек (2i и 2j) демонстрирует двойной периодический характер. Вспышки происходят через равные промежутки времени (интервалы между вспышками T_b; 2i), при этом записывается максимум около 15 одновременных вспышек, разделенных периодами абсолютной темноты.

Приблизившись к этим вспышкам (2j), можно увидеть иную временную картину: вспышки (общее для роя) состоят из последовательности нескольких мерцаний (отдельно для особи), происходящих синхронно с четко определенным интервалом между T_f 0.5 с.

Частотный спектр (преобразование Фурье) временного ряда мерцаний дополнительно подтверждает регулярность этих двух процессов, демонстрируя ярко выраженные пики на частотах 1/T_b = 0.08 Гц и 1/T_f = 1.75 Гц (периоды 12.5 с и 0.57 с соответственно; 2k и 2l). Тот факт, что эти частоты появляются в виде резких пиков в спектре, указывает на то, что эти два процесса происходят в четко определенные интервалы времени.

Эти простые количественные результаты демонстрируют, что мерцание P. carolinus является синхронным, прерывистым и точным. Подобные выводы уже делались ранее. Тем не менее ранее считалось, что вспышки прекращаются внезапно, но в ходе наблюдений были отмечены треугольная форма вспышек и периоды медленного затухания свечения (2j). Наличие треугольного узора в свечении может свидетельствовать о распространении информации внутри роя. Опыты в лабораторных условиях подтвердили, что подобные наблюдения не являются погрешностями оценки данных или нарушением работы оборудования.

Эти результаты показывают, что стая самцов P. carolinus представляет собой сильно коррелированную систему. Механизмы, лежащие в основе их коллективного поведения, такие как распространение информации, могут быть раскрыты путем изучения пространственно-временных корреляций.

Каждая из записанных вспышек привязывалась к времени ti и трехмерной позиции xi. Затем для каждой пары вспышек (i, j) вычислялись разделение _ij = |x_j x_i| и задержка _ij = |t_j t_i|.


Изображение 3

Коррелированные пики возникают каждые 12.5 с (3a), что соответствует вспышкам, и каждый из них состоит из серии высоких и низких полос каждые 0.55 секунды (3b), что соответствует интервалам между вспышками. Пространственные корреляции между всплесками (3a) распространяются по всему рою (пик в диапазоне 010 м). Следовательно, всплески вспышек охватывают весь рой.

Также стоит отметить, что наблюдения показали отсутствие взаимодействия между двумя светляками, которые находились слишком близко друг к другу. Это можно объяснить визуальной окклюзией.


Изображение 4

Трехмерная реконструкция наблюдаемого роя также дала возможность понять кинематику движущихся светлячков.

Анализ отдельных периодов (вспышки, охватывающих не менее четырех последовательных кадров) показывает широкий диапазон движений светлячков.

Скорости свечения (v) показывают континуум между неподвижностью и быстрыми полетами со скоростью до 30 см/с (4a). Радиусы кривизны (r_c) также весьма разнообразны, демонстрируя как крутые повороты, так и пролеты по прямой траектории (4b). Ускорение (a = v²/r_c) охватывает два порядка величин с верхним пределом, сравнимым с силой тяжести Земли (4c). Интересно, что распределение rc по сравнению с v показывает две четко определенные ограничивающие ветви (4d). Нижняя ветвь (большая v, маленькая r_c) отмечает режим высокого ускорения, соответствующий резким и быстрым поворотам. Верхняя ветвь предполагает, что медленные и прямые траектории невозможны при движении светлячка.

Далее рассматривались траектории, длящиеся не менее 2 секунд, в течение которых происходило как минимум 4 свечения. Эти траектории демонстрируют разнообразие моделей.

Принимая во внимание горизонтальный ход (r_xy) между конечными точками траекторий, на 4e можно увидеть континуум между почти стационарными траекториями и другими траекториями, которые покрывают расстояние до 1 м. Вертикальный ход (z) распределяется асимметрично (4f), при этом нисходящие траектории обычно проходят дальше. Траектории никогда не бывают полностью вертикальными (большое значение |z| и малое r_xy), но иногда полностью горизонтальными (4h). Это может свидетельствовать о наличии определенных ограничений в возможностях полета насекомых.

Кроме того, отношение длины пути траектории (s) к ее сквозному расстоянию (r) показывает (4g): хотя большинство траекторий довольно прямые, значительная часть кажется очень искривленной и петлеобразной.

Суть разных траекторий полета заключается в разных коммуникационных сигналах и поведенческих особенностях светляков. Например, длинные и нисходящие траектории наблюдались у самцов, ухаживающих за отвечающей самкой, расположенной на земле. А большие горизонтальные траектории могут соответствовать процессу исследования территории.

Следующий этап исследования перенес наблюдения за насекомыми из естественной среды в контролируемые условия. В небольшую камеру (5b) было размещено несколько самцов светляков, что позволило наблюдать за их поведением в зависимости от численности.


Изображение 5

График 5с демонстрирует трехмерную реконструкцию световых вспышек, записанных в камере в течение 15 минут при наличии 40 особей.

За исключением небольшой части точек (около 1%), которые были расположены намного выше других и были удалены с графика, триангулированные точки определяют объем, который очень напоминает геометрию палатки. Массив точек, соответствующий светлякам, практически идеально повторяет форму тестовой камеры. Заметна даже изогнутость крыши камеры (ткань провисает под собственным весом; 5b).

Ученые не отрицают, что тестовая камера радикально отличается от естественной среды. Однако доступный объем камеры был достаточно большим (около 4 м³), чтобы светляки могли свободно перемещаться и летать, как показывают траектории на 6c.


Изображение 6

Если же в камере находился один самец, он непрерывно генерировал световые вспышки в течение всех 15 минут эксперимента (6a1), даже в отсутствии самки. Продолжительность вспышек обычно составляла от 0.10 с до 0.15 с (510 кадров), хотя также регистрировались и более короткие / длинные вспышки (7a).


Изображение 7

Свечения происходили сериями из 1 до 6 вспышек (чаще всего было 4 вспышки; 7b). Независимо от траектории полета, временной интервал между двумя последовательными вспышками был равен около 0.45 с (2530 кадров). Это видно и по распределению интервалов между вспышками (7c), и по пику 1.75 Гц в частотном спектре (6b1). Вспышки происходили и во время полета, и когда особи просто сидели на стенках камеры (6c1).

Важным наблюдением ученые называют факт того, что временные интервалы между последовательными свечениями (т.е. между сериями вспышек) не имели какой-либо схемы, в отличие от интервалов между отдельными вспышками. Время между свечениями варьировалось от 12 секунд до 1 минуты (7d).

Если же в камере находилось 5 самцов, свечение также происходило на протяжение всего периода наблюдения, но добавились и множественные полеты (6a2 и 6c2). Похоже, что светлячки пытались синхронизировать свое свечение, о чем свидетельствует временное распределение вспышек.

Действительно, большинство свечений состояло из как минимум двух одновременно активных светлячков, вспышки которых происходили синхронно (6a2).

Идентификация траектории, обеспечиваемая пространственной локализацией полос вспышек, позволяет лучше понять возникновение коллективной синхронизации.


Изображение 8

На изображении выше показано, что светлячок, который инициирует свечение, имеет тенденцию мигать дольше всех, а последователи начинают свои собственные вспышки уже синхронизированными.

Последователи могут либо остановиться перед мигающим лидером (8b), либо продолжить движение за ним (8a). Это предполагает, что мигающая информация может передаваться ретрансляционным способом внутри многочисленного роя.

Важно и то, что этапы свечения кажутся апериодическими (например, большой промежуток при t = 200 с на 6a2), однако появление пика на низких частотах (6b2) намекает на некоторую регулярность в схеме коллективного свечения.

Эта закономерность становится более выраженной, когда в камере находится 15 особей. В таком случае свечения возникают в определенном периодическом временном ряду (6a3), а заметные пики (и их гармоники) появляются в частотном спектре при 1/T_b = 0.08 Гц (6b3). Замеренная частота совпадает с той, что была получена во время наблюдений в естественной среде. Любопытно, что эта частота отсутствовала в опытах с одним светляком в тестовой камере. Интервал между вспышками на 1.75 Гц остается таким же, как и у одиночного светлячка (6b3).

Следовательно, это предполагает, что появление четко определенного интервала между всплесками является эмерджентным* свойством коллективного поведения.

Эмерджентность* появление у системы (в данном случае рой светляков) свойств, которыми не обладают ее отдельные элементы (в данном случае один светлячок).

Еще одним важным наблюдением является коллективная кинематика роя во время коллективного свечения. В большинстве свечений виден только один летающий светлячок, в то время как другие стоят или ходят по стенкам камеры (изображение 9 и видео 3).


Изображение 9


Видео 3: реконструкция траекторий полета светляков (соответствует изображению 9).

Траектория полета обычно начинается раньше всех и включает в себя наибольшее количество вспышек. Это наблюдение может быть связано с механизмом, который оптимизирует передачу информации при сохранении коллективных энергетических ресурсов группы. С другой стороны, это может выявить поведенческую дифференциацию.

Когда в камере находилось 40 особей, результаты наблюдений были схожи с теми, что и при наличии 15 особей. Однако в таких условиях имеется больше циклов свечения и больше отдельных вспышек, что позволяет более точно проанализировать процесс.

Вспышки возникают сериями, регулярно растянутыми во времени. Каждая серия состоит из нескольких синхронных вспышек и имеет ту же треугольную форму, что и в дикой природе, при этом количество вспышек медленно увеличивается, достигает максимума и затем медленно уменьшается (6a4). Подобное поведение можно назвать расширением парной синхронизации, наблюдаемой в камере с 5 особями.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Важным отличием данного исследования от предшественников является наличие 360 камеры, что позволила запечатлеть куда больше информации, чем обычные камеры. Получив больше данных в естественной среде, ученые перепроверили их в контролируемых условиях.

Результаты наблюдений в контролируемых условиях с прогрессирующим увеличением численности наблюдаемого роя показывают, что синхронное, прерывистое свечение P. carolinus в дикой природе является результатом индивидуального и коллективного поведения. Хотя интервал между вспышками на 1.75 Гц идентичен для одного светлячка и для группы светлячков, появление четко определенного интервала между вспышками требует наличия множества особей.

Периодичность свечений проявляется, когда в камере находится более 15 особей. В ранее проведенных исследованиях утверждалось, что именно это число особей является минимальным порогом для проявления коллективного поведения.

Каждое свечение состоит из нескольких синхронных вспышек и имеет треугольную форму, аналогичную наблюдаемой в дикой природе. В синхронном свечении всегда участвовало подавляющее большинство особей, чего нельзя сказать про полет, так как лишь некоторые летали, пока остальные оставались неподвижны либо просто ползали по стенкам камеры. Также стоит отметить, что синхронное свечение самцов происходит даже в отсутствии самки, а его продолжительность составляет порядка 15 минут.

Ранее создавались математические модели, которые пытались описать синхронное свечение у светляков. Однако, учитывая ограниченность данных, эти модели не были точны. Хотя многие годы они считались абсолютно достоверными.

Полученные в ходе данного исследования сведения позволяют пересмотреть эти модели, улучшить и доработать их в будущем. Светлячки не синхронизируются за счет какой-то особенной нейронной связи, их поведение является простым копированием того, что делают другие особи в рое. Стоит одному светляку задать ритм, как его тут же подхватывают другие.
Ранее считалось, что синхронное свечение связано с ритуалом ухаживания самцов за самками. Однако тесты показали, что отсутствие самки в камере никак не помешало самцам синхронно светиться. Возможно, суть синхронного свечения заключается не в привлечении самок, а в конкурентной борьбе между самцами. Так или иначе, этот аспект поведения столь удивительных созданий еще предстоит изучить, чем ученые и намерены заняться в будущем.

Кому-то подобные исследования покажутся пустой тратой времени, однако такое утверждение будет слишком радикальным. Мы живем не в отрыве от мира, окружающего нас, а внутри него. Человек от природы любопытное создание, и отрицание проявлений любопытства близко к отрицанию собственной природы. Познание мира не всегда должно иметь какой-то практический смысл и капиталистический подтекст. Порой достаточно того, что мы узнали что-то новое, что-то удивительное и интересное. Знания в большинстве случаев это уже достаточная награда.


Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

В 2007 году появился фильм Bee Movie, посвященный насекомым. Фильм неплох, но в нем прозвучало мнение, что пчелы, согласно принципам авиации, не должны летать, но летают. Это мнение быстро распространилось, и его принялись повторять на все лады журналисты, популяризаторы науки и обычные люди. Справедливости ради стоит заметить, что заблуждение о невозможности полета пчел и шмелей существовало задолго до фильма где-то с начала XX века.

Проблема в том, что пчелы, шмели и другие летающие насекомые вовсе не самолеты. Конечно, если рассчитывать подъемную силу крыльев пчелы при помощи математического аппарата авиастроения, то вывод будет, как и в фильме пчелы и шмели не должны летать. Их небольшие крылышки просто не разовьют подъемную силу, достаточную для того, чтобы насекомое поднялось в воздух. На самом деле все гораздо сложнее и интереснее одновременно.

Взмахи крылышками и динамическое сваливание

У обычных самолетов крылья имеют достаточно жесткую конструкцию, они закреплены на корпусе самолета и составляют с ним единое целое. У них есть определенная степень гибкости, но с точки зрения аэродинамики существенного эффекта она не оказывает. Именно благодаря неподвижности крылья самолета обеспечивают значительную подъемную силу, которой достаточно для того, чтобы аппарат тяжелее воздуха оторвался от поверхности и летел.

У крыльев самолета специфический аэродинамический профиль. Если увеличить угол наклона крыла по отношению к воздушному потоку, крыло создаст бОльшую подъемную силу. Но если угол будет слишком большим, то подъемная сила исчезнет, этот эффект называется сваливанием. Исчезни подъемная сила и самолеты попадают.

У пчел, как и многих других насекомых, нет неподвижных крыльев, как у самолета. Для того, чтобы лететь, им нужно активно махать крыльями это позволяет как бы оттолкнуться от воздуха и создать подъемную силу. Крылья в процессе взмаха совершают невероятно сложную траекторию движения. Крыло выполняет сложные движения на всем пути от начальной точки до конечной. Машущее крыло создает подъемную силу благодаря целому ряду физических явлений.

Первое из них образование сильного завихрения на передней кромке крыла. Это явление называется динамическим сваливанием или же отсутствием сваливания (dynamic stall, absence of stall). Крыло находится под очень большим углом атаки при движении вверх и вниз. Угол атаки угол между направлением вектора скорости набегающего на тело потока и характерным продольным направлением, выбранным на теле, например у крыла самолёта это будет хорда крыла, у самолёта продольная строительная ось, у снаряда или ракеты их ось симметрии.



В итоге воздушный поток разделяется с образованием завихрения у передней кромки крыла. В процессе полета завихрение остается на том же месте благодаря особенностям потока. Создается большая подъемная сила благодаря разнице давлений. Если бы завихрение не возникало, то и подъемной силы бы не было.



Второе эффекты благодаря вращению крыльев насекомого. При вращении крыла увеличивается завихрение на передней кромке, соответственно, растет и подъемная сила. Изменяя точку вращения крыла, можно менять и подъемную силу при каждом взмахе.


^{Диаграмма, показывающая разницу в аэродинамических характеристиках крыльев в режимах опережающего, симметричного и замедленного вращения. Черные линии представляют крыло, а точка показывает переднюю кромку. Красные стрелки показывают величину и направление сил. Эти данные были собраны с помощью модели машущего крыла робота. (Дикинсон, Lehmann & Sane, 1999)}

А что там у других летающих насекомых?

Сложные механизмы полета наблюдаются не только у пчел, но и у других насекомых и птиц. У многих видов есть собственная техника увеличения подъемной силы с одновременной оптимизацией затрат энергии на выполнение взмаха. Ширококрылые бабочки в полете отбрасывают дискретные вихревые кольца. У этих насекомых по мере увеличения скорости полета цепочка вихревых колец сначала размыкается в верхней точке взмаха, что достигается энергичным хлопком крыльев над спинкой, а затем и в нижней точке.

В итоге при наиболее скоростном миграционном полете, а также при взлете крылья бабочки отбрасывают дискретные вихревые кольца: при хлопке крыльев в верхней точке кольцо отбрасывается назад и бабочка получает толчок вперед; в нижней точке взмаха бабочка хлопает крыльями и отбрасывает кольцо вниз, получая вследствие этого толчок вверх. И наконец, у насекомых с высокой частотой взмаха крыльев отбрасывание мелких дискретных колец становится основным способом создания полезных аэродинамических сил.

У многих насекомых при взмахе вверх возникает кратковременный импульс силы за счет расширения ранее образовавшегося кольца с ускорением воздуха назад. Важнейшую роль играют и особые движения крыльев, включая хлопок в верхней или нижней точке взмаха.

Шмели используют примерно тот же механизм полета, что и пчелы. И они тоже летают без всяких проблем. Проблема с объяснением механизма полета этих насекомых возникла именно из-за сложной траектории крыльев. Пчела совершает около 230 взмахов крыла в секунду, шмель 300, в некоторых случаях 400. Благодаря скорости, а также тому, что аэродинамическая поверхность с подвижной амплитудой генерирует гораздо большую подъемную силу, чем жестко зафиксированное крыло, насекомые и летают.

Ну а проблема с невозможностью полета пчелы возникли из-за неверной трактовки законов аэродинамики в применении к движущимся крыльям, причем без учета ряда принципов механики вязкой среды и газовой динамики.

В кино, литературе и видеоиграх можно часто встретить вариации на тему криогенной заморозки, особенно, если сюжет разворачивается вокруг длительного межпланетного путешествия. Концепция заморозить что-то или кого-то до лучших времен не нова, но за последние годы она стала намного популярнее. Сейчас даже существуют специализированные учреждения, которые могут заморозить человека с неизлечимой болезнью, а потом разморозить его, когда будет изобретено лекарство. Правда, по законам живых людей замораживать нельзя. Успешно разморозить человека, который фактически переступил черту между жизнью и смертью, а потом еще и вылечить его недуг задача для ученых будущего. Криоконсервация может использоваться не только для людей, но и для других организмов.

Плодовые мушки являются важным модельным организмом во многих отраслях науки, посему ученые из Миннесотского университета (США) разработали методику криоконсервации, позволяющую замораживать эмбрионы дрозофилы. Как работает данная методика, с какими трудностями ученым пришлось столкнуться, и насколько успешна созданная разработка? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Drosophila melanogaster, она же дрозофила или плодовая мушка, является без преувеличения уникальным организмом. Это назойливое насекомое, которое в летние месяцы с радостью становится соседом всех любителей свежих фруктов и овощей, играет важную роль во многих исследованиях.


Томас Морган (1866-1945)

В далеком 1909 году Томас Морган использовал плодовую мушку в качестве модельного организма в своих генетических экспериментах. Модельный организм, как это и предполагает сам термин, используются в качестве моделей в процессе изучения каких-либо процессов или явлений живой природы. Чтобы организм стал модельным, он должен соответствовать ряду требований: ученые должны знать о нем максимум, он должен быть простым в разведении, содержании, а время его развития должно быть минимальным.

Дрозофила подходит по всем этим параметрам и не только. Мушки быстро растут, быстро и массово размножаются, смена поколений также происходит быстро, а их эмбрионы прозрачны, что делает дрозофилу идеальным кандидатом для изучения эмбрионального развития животных.

Использование дрозофилы в качестве модельного организма позволило нам сделать множество важных открытий. Неудивительно, что в разных исследовательских лабораториях по всему миру хранится более 160 000 уникальных генотипов дрозофилы.


Внешний вид Drosophila takahashii.

На данный момент поддержание жизни дрозофил полностью ложится на плечи самих ученых, которые должны периодически переносить взрослых особей к свежему корму, постоянно мониторить условия среды обитания, следить за стерильностью (дабы избежать генетического загрязнения) и т.д. Это крайне трудоемкая задача, требующая немало сотрудников, оборудования и ресурсов.

Криоконсервация, напротив, должна быть гораздо проще и выгоднее, не говоря уже о сохранности самих дрозофил и их генетического материала.

Ранее, как заявляют ученые, уже были попытки разработать метод заморозки дрозофил, который испытывался на диком штамме (Oregon R). Однако разработку свернули из-за ее недостаточной воспроизводимости и сложности.

Если же вернуться ближе к теме исследования, а именно к заморозке эмбрионов дрозофилы, то основными проблемами являются введение криопротекторного агента (CPA от cryoprotectant agent), масштабируемость витрификации*, выживаемость эмбриона в зависимости от возраста и генетический фон, зависящий от штамма.

Витрификация* (стеклование) переход жидкости в стеклообразное состояние при понижении температуры.

Проблема, связанная с CPA, проявляется на этапе дехорионации (Drosophila Egg Dechorionation), так как эмбрион становится непроницаем для криопротекторного агента ввиду воскового слоя и желточной мембраны. Если же CPA все же удастся ввести, то требуются большие скорости заморозки и разморозки для достижения криоконсервации посредством витрификации (стеклования). Однако этот процесс крайне сложно масштабировать, если речь идет о тысячах эмбрионов сразу. Не говоря уже о разнице в генетическом фоне разных штаммов дрозофилы, из-за которой заморозка может по-разному влиять на разные штаммы.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые попытались решить вышеописанные проблемы и достичь успешной криоконсервации эмбрионов разных штаммов дрозофилы.

Результаты исследования

Первый этап заморозки эмбриона это определение того, на какой стадии развития его лучше всего замораживать.


Изображение 1

Для этого использовалась имеющаяся коллекция дрозофил, названная М2 (1a). Особи в этой коллекции являются производными от штамма w[1118], а посему обладают прослеживаемым однонуклеотидным полиморфизмом на X-хромосоме и являются гомозиготными, жизнеспособными и фертильными.

Поскольку скорость эмбрионального развития сильно зависит от температуры, необходимо было постоянно мониторить возраст эмбрионов посредством строгого контроля времени инкубации при установленной температуре (например, 20.1 0.05 C). Также контролировались и морфологические особенности путем изучения внешнего вида кишечника (выглядит, как темные участки) эмбриона под микроскопом (кишечник выделен белыми линиями на 1b). При использовании препарирующего микроскопа кишечник приобретал молочный цвет (ниже на 1b).

С 19-ого по 24-ый час инкубации внешний вид кишечника меняется от структуры в форме сердца (19 часов инкубации) до набора из 34 полупараллельных полос, которые лежат перпендикулярно длинной оси эмбриона (20 часов), затем постепенно наклоняется (2122 часа) и в конечном итоге принимает более вытянутую форму (2324 часа).

После криоконсервации эмбрионов на разном этапе их развития была выполнена разморозка. Это позволило оценить степень выживаемости эмбрионов по скорости вылупления (от эмбрионов до личинок) и выживаемости взрослых особей (вылупившиеся личинки окукливание почти взрослые особи). В результате было установлено, что эмбрионы на 22-ом часу развития обеспечивают самую высокую выживаемость после криоконсервации (2a).


Изображение 2

Дело в том, что у эмбрионов в более старшем возрасте начинает формироваться непроницаемый слой кутикулы, препятствуя поглощение CPA, и поэтому выживаемость резко снижается.

Возраст мошек, используемых для сбора эмбрионов, также повлиял на результат криоконсервации. Выживаемость эмбрионов, полученных от более старых мух (9-12 дней), была значительно ниже, чем от более молодых (1-4 дня).

Далее была выполнена процедура стабилизации проницаемости эмбрионов посредством сетчатой корзины и смеси D-лимонена и гептана (сокращенно LH от D-limonene и heptane). Было установлено, что выдержки эмбрионов в LH растворе в течение 10 секунд вполне достаточно для удаления парафина и повышения проницаемости желточной мембраны, вызывая при этом минимальное повреждение. Далее эмбрионы окрашивались в красный цвет с помощью раствора родамина B, а затем с них удалялся восковой слой (1c).

В результате эмбрионы были полностью проницаемы для CPA, содержащего этиленгликоль (EG), пропиленгликоль (PG) и диметилсульфоксид (DMSO), но не для CPA, содержащего сахариды (сахароза, сортибол и трегалоза).

Чтобы ввести CPA в эмбрионы для последующей витрификации, монослой эмбрионов сначала подвергали воздействию проницаемой CPA с низкой концентрацией (13 мас.%). Более 90% эмбрионов сначала потеряли воду и сжались из-за более высокой внешней осмолярности*, за чем последовало набухание, когда CPA проникал внутрь (1c).

Осмолярность* (осмотическая концентрация) суммарная концентрация всех растворенных частиц.

На следующем этапе было выполнено увеличение внутриэмбриональной концентрации CPA за счет обезвоживания путем помещения эмбрионов в CPA с высокой концентрацией (~ 39 мас.%) при 4 C. Обезвоженные эмбрионы стали плоские по форме и имели множество складок на поверхности.

Важно и то, что более высокая внутриэмбриональная концентрация CPA приводит к большей защите от летального образования льда во время последующего охлаждения и повторного нагревания, но также может привести к большей токсичности CPA, особенно при температурах выше нуля. Проанализировал выживаемость при различных концентрациях CPA, ученые установили, что 9 минут дегидратации в 39 мас.% этиленгликоля + 9 мас.% сорбита идеально подходит для успешной криоконсервации, так как снижает затраты реагентов и время выполнения самой процедуры.

После завершения всех подготовительных этапов ученые приступили непосредственно к заморозке эмбрионов. Для того чтобы криоконсервацию можно было использовать сразу на большом количестве эмбрионов, был разработан метод криосетки нейлоновая сетка, прикрепленная к тонкому держателю из полистирола. Сетка размером 2х2 см может вместить около 1700 эмбрионов. Для каждого отдельного опытного захода заморозки использовалось от 200 до 600 эмбрионов.

Когда криосетка вдавливается в раствор CPA, в котором плавают эмбрионы, последние переносятся на сетку, а CPA поднимается (1a).


Изображение 3

Ученые отмечают, что удаление излишков раствора CPA с криосетки непосредственно перед стеклованием уменьшило общую массу на криосетке в 10 раз, тем самым повысив скорость охлаждения/нагревания и выживаемость эмбрионов после криоконсервации (3a-3d).

Другими словами, чем меньше лишнего раствора CPA остается на сетке, тем быстрее будет процесс заморозки и тем больше эмбрионов одновременно можно будет стекловать (3c).

Затем криосетку с эмбрионами быстро погружали в жидкий азот (LN₂) для стеклования и последующего хранения. Выявить успешность стеклования можно было визуально: витрифицированные эмбрионы становились прозрачными, а кристаллизованные (т.е. стеклование прошло неудачно) становились белыми (1c).

Для сравнения был использован другой хладагент SN₂ (slush nitrogen). SN₂ является более молодым вариантом LN₂, который применялся в предыдущих исследованиях для стеклования эмбрионов. В рамках данного эксперимента SN₂ показал более высокую скорость заморозки, но такую же скорость нагревания, как и LN₂. Кроме того, показатели выживаемости в случае использования SN₂ практически не отличались от LN₂. По этой причине было решено продолжить использовать именно жидкий азот, так как SN₂ гораздо сложнее производить (2c).

Факт того, что на криосетке было минимум раствора CPA, играет важную роль и в процессе нагревания. Предыдущие исследования показали, что скорость нагревания крайне важна для выживаемости эмбрионов. Правильное нагревание может даже спасти те эмбрионы, чья заморозка прошла с ошибками (например, образование льда).

Моделирование процесса нагревания показало, что при наличии CPA этот процесс протекает значительно медленнее. К примеру, скорость нагрева падает до 2.4 х 10⁴ C/мин при толщине слоя CPA в 250 мкм (2e-2f).

Если же удалить CPA, то моделирование показывает, что увеличение площади контакта эмбрионов с криосеткой увеличивает скорость начала вторичного нагревания, так как нейлоновая секта нагревается быстрее эмбрионов (3g-3h).

После успешного охлаждения и последующего нагревания необходимо было удалить CPA, присутствующий внутри эмбрионов. Для этого эмбрионы после нагревания подвергались воздействию 15 мас.% раствора сахарозы перед криобуфером (т.е. изотоническим солевым буфером*) для смягчения осмотического шока (повреждение /распад клеток).

Изотонический солевой буфер* состоит из хлорида натрия (NaCl), диспергированного в стерильной воде в концентрации, при которой объем остается в пространстве внеклеточной жидкости (ECF от extracellular fluid). Буфер называется изотоническим, так как он не меняет размер клеток.

Дополнительно был протестирован метод прямой загрузки эмбрионов в изотонический буфер (т.е. без раствора сахарозы). На удивление скорость вылупления таких эмбрионов была такой же, как и при использовании сахарозы, но выживаемость была ниже. Это, по мнению ученых, связано с желточной мембраной, которая помогает избежать чрезмерного набухания обезвоженных эмбрионов.

Результирующая выживаемость вылупившихся и взрослых особей после криоконсервации составила 52.9 6.3 % и 31.8 5.3 %, тогда как выживаемость без заморозки составляла 97% и 89%. Полученные результаты могут показаться слишком малыми, однако для такого рода процедур это весьма внушительные цифры.

В заключение ученые проверили эффективность данного метода криоконсервации на других 24 штаммах мошек (графики ниже).


Изображение 4

В результате было установлено, что использованные первоначально условия проведения процедуры заморозки/нагревания одинаково успешны для всех протестированных штаммов, хоть и были некоторые незначительные отличия.

В частности, для штамма S7 21-часовые эмбрионы обеспечивали более высокую выживаемость после криоконсервации, чем 22-часовые эмбрионы, из-за несколько более высокой скорости эмбрионального развития.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые продемонстрировали методику криоконсервации эмбрионов дрозофилы. Для достижения максимальной выживаемости эмбрионов после охлаждения/нагревания необходимо было учесть несколько важных аспектов и обойти некоторые трудности. К примеру, важную роль играл не только возраст эмбрионов (оптимальный: 22-ой час развития), которые будут подвержены охлаждению, но и возраст родителей (оптимальный: 1-4 дня). Для успешного введения в эмбрионы криопротекторного агента (CPA) была использована методика увеличения проницаемости, основанная на погружении эмбрионов в смесь D-лимонена и гептана. Эта процедура позволяла снять с них парафиновую оболочку и повысить проницаемость желточной мембраны. Но лишний CPA, остающийся на поверхности эмбрионов, мог бы усложнить процедуру охлаждения, потому его необходимо было удалить. Это было сделано посредством криосетки (нейлоновая сетка, прикрепленная к тонкому держателю из полистирола). Очистка эмбрионов от излишков CPA снижала общую массу примерно в 10 раз, тем самым ускоряя процесс заморозки, для которой использовался жидкий азот. А вот удаление CPA из эмбрионов на этапе нагревания происходило за счет погружения последних в раствор сахарозы, что значительно снижало вероятность осмотического шока.

На первый взгляд кажется, что вся эта процедура невероятно сложна. Однако авторы уверяют в обратном. Они даже проверили это, пригласив добровольцев (два старшеклассника), которых обучили проводить криоконсервацию самостоятельно. Новоявленные лаборанты крайне быстро освоились, а выживаемость эмбрионов, с которыми они работали, оставалась на уровне, описанном учеными в их труде.

Несмотря на свои малые габариты, дрозофилы играют крайне важную роль современной науке. Между человеком и дрозофилой много общего, особенно в аспекте генов. Изучение мутантов этого модельного организма позволяет выяснить, как подобного рода генетические изменения могут повлиять на человека, заявляют авторы исследования. Именно потому сохранение взрослых особей и эмбрионов дрозофил для будущих исследований играет столь важную роль.


Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?