Технологии в мире животных: бабочки как сверхчувствительный сенсор запахов и вкусов
Кто способен почувствовать сотню молекул вещества в кубическом метре воздуха, тот — бабочка
Природа — весьма изобретательный и умелый инженер. Каждое живое существо уникально и удивительно. Одно из таких существ — бабочка. Некоторые виды бабочек — идеальные органы химического чувства, ведь обоняние и вкус у них если не совершенны, то близки к этому.
Почему и запахи, и вкус рассматриваем в рамках одной статьи? Дело в том, что оба чувства базируются на хеморецепторах. Только обоняние — это определение наличия определенных веществ в воздухе, а вкус — то же самое, только во влажной среде. У бабочек обоняние работает благодаря антеннам, а вкус — благодаря ротовым органам.
Начнем с обоняния
У большей части насекомых за обоняние отвечают так называемые обонятельные сенсиллы. Их форма чаще всего коническая. Располагаются сенсиллы, как уже говорилось выше, на усиках. Чем больше сенсилл, тем насекомое более чувствительно к запахам.
Например, у пчел на антеннах располагается около 6000 сенсилл. У других насекомых их может быть больше. У некоторых видов бабочек количество сенсилл на одной антенне достигает нескольких тысяч. А у такого вида, как Antheraea polirhemus, количество сенсилл превышает 60 000.
Электронная микрофотография участка антенны кукурузной совки (Helicoverpa zea Boddie) с трихоидными сенсиллами (по Lee, Baker, 2008). Источник
Сенсиллы связаны со специализированными группами нейронов. В каждой группе их несколько десятков. Сенсиллы — пористые, они играют роль уловителей молекул химических веществ. Те, попадая в поры, взаимодействуют с отростками нейронов, которые, в свою очередь, отправляют электрический сигнал в нервную систему. Это и является определением запаха.
Схема строения тонкостенной хеморецепторной сенсиллы насекомого (по Gullan, Cranston, 2005):
1 — дендриты; 2 — пора; 3 — поровые трубочки; 4 — полость кутикулярного отдела сенсиллы, заполненная рецепторной жидкостью; 5 — кутикула; 6 — гиподермальная клетка; 7 — ресничный синус; 8 — текогенная клетка; 9 — трихогенная клетка; 10 — тормогенная клетка; 11 — шванновская клетка; 12 — сенсорные нейроны; 13 — аксоны; 14 — сколопоидная оболочка.
Многие знают, что самцы бабочек, особенно ночных, имеют гребенчатые антенны и чувствуют наличие самки за многие километры. Все благодаря огромному количеству сенсилл. Самки испускают феромоны, а самцы их улавливают и слетаются к источнику. Соответственно, наследство могут оставить те, у кого самое чувствительное обоняние (ну или кто по счастливой случайности оказался ближе всех, что тоже логично).
Энтомологи неоднократно проводили эксперименты с сатурниями. Так, выпущенные из окна движущегося поезда на разных интервалах самцы бабочек были способны вернуться к самке, находившейся от них на расстоянии вплоть до 12 км. Самцы были помечены, и около 26% из них смогли найти предмет своего обожания с расстояния в 11 км.
Известно, что самцы бабочек способны уловить молекулы феромонов самок, находясь за 3–6 км от них. Такой вид, как грушевая сатурния (павлиноглазка грушевая), способна на еще более впечатляющие гендерные подвиги, чувствуя наличие самки за 10 км. На текущий момент грушевая сатурния занимает первое место в списке «живых детекторов запахов» среди насекомых. Самцам тутового шелкопряда хватает 100 молекул феромона на 1 м3 для того, чтобы обнаружить самку.
Прочие насекомые, конечно, тоже чувствуют запахи. Так, растительноядные членистоногие определяют подходящие им растения как раз по запаху. Иногда может показаться, что такое насекомое просто блуждает в поисках еды, но это не так — оно идет к своей цели, пусть и не по прямой.
Свою пищу определяют по запаху жуки-падальщики, мухи, комары и прочие радующие нас насекомые. Давно известно, что большинство общественных насекомых тоже идентифицируют «своих» по запаху. Если в колонию случайно попадает чужак того же вида, его отгоняют либо убивают. Ну, а что, он пахнет не так, как положено.
А что насчет вкуса?
Здесь тоже все в порядке — насекомые являются почти идеальными детекторами наличия разнообразных химических веществ в жидкостях и твердых веществах. Притом органы вкуса у них располагаются в ротовых органах, на антеннах, передних лапках (привет тем же бабочкам) или даже яйцекладе. Правда, в последнем случае речь идет не совсем о вкусе, а о химических характеристиках субстрата, в которых будут отложены яйца.
Что касается бабочек, то когда они прикасаются передними лапками к сладкому веществу, их хоботок тут же реагирует. Кстати, «ногами» бабочки чувствуют гораздо меньшие концентрации веществ, чем человек, — они примерно в 2000 раз чувствительнее. Ученые определили, что представители Lepidoptera способны отличать разные вещества друг от друга, включая очень слабые растворы хинина, сахарозы и т.п.
В основе вкусовых детекторов — все те же сенсиллы, природа решила не изобретать велосипед заново. Только в этом случае сенсиллы — толстостенные, а у основания каждой расположено не несколько десятков, а 3–5 нейронов. В редких случаях их количество достигает 50 — это у единиц видов-дегустаторов. Принцип работы здесь все тот же: через поры химическое вещество проникает к верхней части нейрона и взаимодействует с ним.
Интересно, что во многих случаях нейроны, которые находятся у основания вкусовых сенсилл, узкоспециализированы. Пример — муха Phormiaregina, у которой группы нейронов состоят всего из трех элементов. Но зато один нейрон — осязательный, второй — определяет сладкий вкус, атретий — соленый. Все, что нужно мухе, — сладкая пища, так что больше вкусов ей определять и не нужно.
А вот у других насекомых, например, пчел, нейроны более функциональны. Они могут определять все вкусы — как сладкий и соленый, так и кислый или горький. Чувствительность большинства насекомых ко вкусам примерно такая же или чуть выше или ниже, чем у людей. Отличились здесь все те же бабочки.
На этом суперспособности бабочек заканчиваются?
Нет, они еще способны различать инфракрасное излучение и слышать ультразвук. Что касается первой способности, то она дает им возможность находить цветы в полной темноте или определять партнера.
А вот ультразвук — вынужденный эволюционный инструмент. «Ультразвуковой эхолот» дает возможность бабочкам избегать летучих мышей, слыша издаваемые теми звуки. Кроме того, некоторые бабочки каким-то образом используют эхолокацию для ориентации в пространстве. Насколько можно понять, они не излучают ультразвук, а ориентируются по отраженным звукам. Такая способность дает им возможность избегать препятствий.
