Шмели‑болиды: как насекомые развивают скорость 22 км/ч и не перегреваются

Новые исследования могут помочь спрогнозировать способность опылителей противостоять изменению климата

Шмели могут выглядеть неуклюжими и нелепыми, когда зависают над цветком, но не стоит их недооценивать: они — настоящие гоночные болиды среди насекомых и способны летать со скоростью 22 километра в час. Даже когда они зависают в воздухе, их мощные грудные мышцы выделяют много тепла. Как и у любого высокопроизводительного транспортного средства, у пчел есть способы охлаждать свои двигатели, и новое исследование показывает, насколько эффективным может быть один из этих способов.

Когда шмель зависает в воздухе, создаваемый им ветерок может снизить температуру тела насекомого на 5°C, сообщают исследователи в статье, опубликованной в Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. По словам Арта Вудса (Art Woods), физиолога из Университета Монтаны, «колоссальные» масштабы этого охлаждения означают, что эффект веера очень важен для летающих насекомых.

Он добавляет, что, если мы лучше поймем, как температура влияет на полет шмелей, это позволит ученым точнее прогнозировать способность этих насекомых выживать в условиях глобального потепления.

Полет насекомых давно привлекает внимание ученых. Леонардо да Винчи изучал стрекоз и на основе их строения сконструировал летательный аппарат.

В последнее время некоторые биологи сосредоточились на влиянии тепла, выделяемого летательными мышцами. Например, холодным утром насекомые разогревают свои летательные мышцы, взмахивая крыльями. Шмели могут использовать этот процесс, чтобы повысить температуру тела более чем на 30°C по сравнению с температурой окружающего воздуха.

Ведущим автором нового исследования о шмелях стал физиолог из Университета Вайоминга Джордан Гласс (Jordan Glass).

Теоретически такая метаболическая мощность может ограничивать способность пчел летать в жаркую погоду. Но у шмелей есть несколько способов охлаждаться, например, они передают тепло от груди к более прохладному брюшку с помощью циркулирующей жидкости, называемой гемолимфой.

Исследователи изучили этот эффект и другие факторы, влияющие на температуру тела, такие как солнечное тепло и испарение влаги, чтобы создать так называемую модель теплового баланса шмеля. Но Гласс понял, что в этой модели не хватает одного элемента: никто не измерял в деталях охлаждение, возникающее из-за обтекания тела шмеля воздухом, создаваемым его трепещущими крыльями.

Первым делом нужно было выяснить, с какой скоростью движется воздух. Один из авторов исследования поместил шмелей в камеру, оснащенную датчиками скорости воздушного потока. Когда шмели зависали над искусственным цветком в камере, исследователи фиксировали скорость движения воздуха в диапазоне от 0,25 до 2 метров в секунду. Затем, поместив в камеру сухой лед в воде, чтобы создать туман, похожий на дым, команда определила характер движения воздуха.

Чтобы точно измерить охлаждающий потенциал этого воздушного потока, Гласс и его коллеги усыпили 18 шмелей. В каждого из них они вставили крошечный температурный датчик, нагрели тело до 50°C и поместили его в аэродинамическую трубу, которая могла имитировать воздушные потоки и скорости, измеренные учеными вокруг парящей в воздухе пчелы.

По оценкам Гласса и его коллег, без охлаждающего эффекта, который они зафиксировали, парящие в воздухе шмели перегрелись бы и упали менее чем за 2 минуты. По словам Гласса, в ходе других лабораторных экспериментов выяснилось, что летательные мышцы пчел могут давать своего рода механический сбой, как при перегреве автомобиля. Однако Гласс добавляет, что пчелы потенциально могут чувствовать эту угрозу — своего рода предупреждение о «проверке двигателя» в мозге — и вскоре после этого приземляться, чтобы восстановиться.

По словам Вудса, его команда впервые провела столь тщательные измерения охлаждающего эффекта, создаваемого крыльями. Тем не менее остаются вопросы, например о степени охлаждения во время полета вперед, которую сложнее измерить в лабораторных условиях, чем при зависании в воздухе.

Шмели умею многое — например, они освоили азбуку Морзе.