Для выживания в суровых условиях дикой природы живое существо должно адаптироваться, учитывая доступность пищи и гастрономические предпочтения, наличие потенциальных хищников, среду обитания, климат и многое другое. В процессе эволюции некоторые механизмы выживания заменяются другими, что связано с непостоянством окружающей среды. Порой результатом эволюции становятся столь необычные особенности того или иного организма, что это не может вызывать интерес ученых. К примеру, цветочные клещи, питающиеся нектаром, использую колибри в качестве транспорта для перемещения с цветка на цветок. Прикрепление к птице происходит посредством электрического поля. Этот нестандартный метод перемещения решили изучить ученые из Коннектикутского университета (США). Как именно электрическое поле позволяет клещам цепляться за колибри, и обладают ли клещи реальным контролем над этим полем? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Электрические поля в наземной среде вызывают поведенческие реакции у самых разных организмов. Электростатическое притяжение и отталкивание, обусловленное наличием одинаковых и противоположных зарядов на объектах, как было показано, используется гусеницами для обнаружения хищников, служит сигналом в поиске пищи для опылителей и облегчает прикрепление к носителям.

Цветы, как правило, заряжены отрицательно относительно атмосферы, действуя как электростатические антенны, тогда как опылители, такие как пчелы, бабочки и колибри, обычно заряжены положительно. Эта разница в заряде между опылителями и цветами существенно формирует их взаимодействие. Электрические поля позволяют пчелам оценивать, посещались ли цветы недавно другим опылителем. Электрические поля увеличивают перенос пыльцы, облегчая прикрепление пыльцы и притягивая тычинки к колибри.


Изображение №1

Рассматриваемое нами сегодня исследование фокусируется на увлекательном взаимодействии между колибри и цветочными клещами (фото выше). Эта группа клещей, которая питается нектаром и пыльцой, перемещается между цветами, цепляясь за клювы колибри. Когда колибри касается цветка, клещи почти мгновенно вылетают из ноздрей птицы и начинают бежать к растению (1A, 1B; видео №1).

Видео №1

Покинуть цветок — тоже непростая задача для цветочных клещей. Помимо определения положения клюва во время визита колибри, клещи должны прицепиться к клюву до того, как визит закончится. Наблюдения показали, что клещи бегут к точке, в которой клюв колибри впервые касается цветка, и прикрепляются к клюву за 1/30 секунды.

Известно, что колибри накапливают электрические заряды от 66 пКл до 800 пКл. Во время зависания колибри бьют крыльями на основных частотах от ~20 до 80 Гц. Колебательные аэродинамические силы также генерируют более высокие гармоники (т. е. частотные компоненты, которые являются целыми кратными основной частоты). Вторая гармоника генерирует частоты от ~40 до 160 Гц. Результирующее движение зарядов имеет потенциал для генерации электрических полей, модулированных на основной частоте и связанных с ними более высоких гармониках. Существование модулированных сигналов, генерируемых во время зависания, в сочетании с немодулированной составляющей постоянного тока, приводит к гипотезе, что цветочные клещи полагаются на электростатику как на сенсорный сигнал, указывающий на присутствие колибри (1C). Электрические поля также могут притягивать клещей через крошечный воздушный зазор между субстратом и клювами колибри, поведение, которое наблюдалось в лаборатории с использованием электрода, заряженного статическим электричеством (1D; видео №2).

Видео №2

Как отмечают ученые, их труд в первую очередь пытается определить, вызывает ли наличие экологически значимых электрических полей поисковое поведение у цветочных клещей. Очень интригующей возможностью является то, что колибри действуют как передатчики, а клещи действуют как приемники, используя электрические сигналы для определения положения колибри.

Клещи и другие паразитические представители подкласса Acari вытягивают передние ноги и принимают положение, известное как поиск, поведение, связанное с поиском хозяина. Предыдущие исследования клещей показывают, что поисковое поведение начинается, когда иннервируются химические, механические и термические сенсоры, присутствующие в передних ногах. В этом исследовании ученые изучили возможность того, что передние ноги цветочных клещей колибри имеют рецепторы, которые облегчают обнаружение электростатических сигналов.

В данном исследовании рассматривались цветочные клещи с двух растений-хозяев, Costus malortieanus (Costaceae) и Musa velutina (Musaceae). Цветы C. malortieanus посещают колибри Phaethornis striigularisи колибри P. Longirostris. Цветы M. velutina посещают колибри Amazilia tzacatl, P. longirostris, P. striigularis и Thalurania colombica. Используя ДНК-штрихкод CO1, ученые идентифицировали в цветках C. malortieanus четыре вида Proctolaelaps Berlese и один вид Lasioseius. Один вид, идентифицированный как Proctolaelaps sp1, является общим для C. malortieanus и M. Velutina.

В лабораторной установке было проведено, влияет ли на поведение цветочного клеща информация, передаваемая через электрические поля. Во-первых, было проверено, привлекаются ли цветочные клещи немодулированными электрическими полями (только постоянная составляющая), вызванными зарядами, накопленными на колибри. Во-вторых, чувствительны ли клещи к модуляциям электрического поля (переменная составляющая), связанным с движением, вибрацией и взмахами крыльев колибри, несущих заряд. Дополнительно исследовалось, могут ли цветочные клещи различать положительные и отрицательные поля, возможно, используя полярность для ориентации, а также связаны ли структуры, присутствующие в передних ногах клещей, с электрорецепцией.

Результаты исследования

Электрические поля генерировались с помощью сферического электрода, подвешенного над заземленной медной пластиной (алюминиевый электрод, диаметр = 1.5 см, емкость ≈ 0.8348 пФ). Электрод был размещен на 1.5 мм выше пластины. Электрическое поле, генерируемое на этом расстоянии при 550 В, находится в диапазоне, создаваемом колибри. Клещей анестезировали с помощью CO₂. Когда клещ начинал двигаться, выбирался один из методов воздействия: электрод был выключен; подавалось 550 В постоянного тока (VDC от V of direct current) без какой-либо модуляции; подавалось 550 В постоянного тока, модулированного с компонентом переменного тока (V_RMS = 388.91 при 120 Гц). Электрод был включенным в течение 10 секунд.


Изображение №2

Все клещи уходили от электрода, когда тот был выключен (2A). Когда клещи подвергались воздействию немодулированного электрического поля при 550 В, все, кроме одного клеща, также уходили. Когда цветочные клещи подвергались воздействию электрического поля с модуляцией 120 Гц, 86 % оставались под электродом, медленно постукивая передними лапками, пока он не был выключен (видео №3).

Видео №3

Для сравнения ученые провели тот же эксперимент с использованием форетических клещей Lasioseius, связанных с Cephaloleia belti (Chrysomelidae), травоядным жуком, который питается листовой тканью многих опыляемых колибри растений. Известно, что клещи, связанные с жуками Cephaloleia, используют запахи жуков для выбора своего хозяина. Из-за своего меньшего размера, геометрии и более медленного движения эти жуки, вероятно, имеют часть заряда, обнаруженного у колибри, что делает маловероятным, что жуковые клещи используют электрорецепцию для обнаружения своих хозяев. Как и в первом эксперименте, жуковых клещей, анестезированных CO₂, поместили под электрод (N = 20). Электрод был расположен на 1.5 мм выше клеща. Когда клещи возобновили движение, на электрод подавалось 550 В постоянного тока с модуляцией (V_RMS = 388.91 при 120 Гц). Все клещи расходились, не проявляя никакого интереса к электроду. Ни один из клещей не показал поведения, связанного с потенциальным обнаружением электростатических полей.

Видео №4

Чтобы определить минимальный порог обнаружения притяжения цветочного клеща к электростатическим полям, ученые варьировали амплитуду электрического поля, сохраняя частоту сигнала и расстояние клеща от электрода. Клещи помещались под электрод, который находился на 1.5 мм выше пластины (видео №4). Напряжение электрода состоит из заданного значения постоянного напряжения, модулированного компонентом 120 Гц с амплитудой, пропорциональной заданному значению. Эксперимент был начат при 550 В, затем напряжение уменьшали на 50 В каждые 5 секунд. При каждом напряжении записывалось, проявляли ли цветочные клещи поведение поиска, и напряжение, при котором каждый клещ больше не привлекался к электроду.

Все клещи оставались под электродом при 550 В (120 Гц) (2B). По мере того как напряжение уменьшалось, клещи становились более активными и начинали постукивать передними лапками. От 5 до 20% клещей уходили от электрода каждый раз, когда электрический потенциал уменьшался на 50 В (2B). При 200–250 В (120 Гц) клещи приближались к электроду и вставали на задние лапки, вытягивая передние лапки в сторону электрода. Все клещи прекращали приближаться к электроду и уходили при 100 В (120 Гц).

Видео №5

В третьем эксперименте ученые проверили, привлекаются ли клещи поведенчески к определенной полярности, и должна ли такая полярность быть модулирована. Был проведен эксперимент с выбором, где использовалась арена, которая состояла из стеклянной трубки, удерживающей клеща. Два медных провода размещались внутрь каждого конца стеклянной трубки (видео №5). Арена заряжалась путем прикосновения к противоположному концу проводов в течение одной секунды либо положительным алюминиевым электродом, либо отрицательной медной пластиной.

Сначала арену зарядили током 400 пКл, т. е. ожидаемым зарядом у колибри при относительной влажности 15%. Поскольку Ла-Сельва (регион обитания клещей) — это тропический лес, ученые также проверили, привлекают ли клещей арена зарядом 105 пКл, ожидаемым зарядом у колибри при относительной влажности 95%. В этом эксперименте заряды индуцировались с помощью источника питания без модуляции (0 Гц) или источника питания с модуляцией (120 Гц).

Клещи были способны быстро обнаруживать электрические поля как при 105 пКл, так и при 400 пКл, но только если они были вызваны модулированным напряжением (VDC, V_RMS, 120 Гц). (2C). Клещи демонстрировали поисковое поведение почти сразу после того, как арена касалась электродов, подбегая к положительному заряду (2C). При зарядке арены при 105 пКл и 400 пКл, оба при 0 Гц, клещи не проявляли предпочтений. Эти результаты показывают, что клещей привлекает модуляция, кратковременно присутствующая во время прикосновения к электроду, и положительные поля по сравнению с отрицательными полями. Эти результаты подтверждают, что клещи могут обнаруживать небольшие поля зарядки, типичные для колибри во влажной среде.


Изображение №3

В четвертом эксперименте ученые проверили, связаны ли микроструктуры, присутствующие в передних ногах, с обнаружением модулированных полей. Для этих экспериментов использовался только один вид цветочного клеща, Proctolaelaps sp1. Все особи Proctolaelaps sp1 были собраны с M. velutina. Клещи были обезвожены и высушены в критической точке для получения изображений сканирующим электронным микроскопом. В обеих передних лапках были обнаружены структуры, которые напоминают органы Галлера, группу сенсорных щетинок, связанных с химическим, механическим и инфракрасным восприятием у клещей и других паразитических Acarina. На кончике лапки также наблюдались три щетинки, которые напоминают трихоботрии, тип волос, которые служат механическими и электрическими датчиками у пауков (3A).

Чтобы определить, служат ли какие-либо из этих структур электростатическими датчиками, ученые ампутировали лапку одной или обеих ног. Для удаления лапок клещей обездвиживали, помещая их на чашку Петри, находящуюся на другой чашке Петри, наполненной льдом. Лапки разрезали острым краем иглы для подкожных инъекций. Передвижение клещей не нарушалось при удалении одной или обеих передних ног. Клещей помещали под сферический электрод на расстоянии 1.5 мм. Когда клещи начинали ходить и постукивать передними лапами, электрод включали на 550 В и 120 Гц. Все клещи с обеими удаленными лапками уходили от электрода (3B). Большинство клещей с одной неповрежденной ногой оставались под электродом. Клещи демонстрировали поведение поиска, перемещая неповрежденную переднюю ногу к электроду.

Видео №6

В заключительном эксперименте ученые хотели сравнить скорость ходьбы клещей со скоростью, связанной с пассивным притяжением статическим электричеством. Ученые считают, что пассивное электростатическое притяжение может способствовать прикреплению клещей к колибри, посещающим цветы. Чтобы оценить скорость бега на клювах колибри, были использованы видеозаписи посещения колибри цветов M. Velutina (видео №6).

Видео №7

Чтобы оценить скорость клещей, пассивно привлеченных заряженным электродом, анестезированных CO₂ клещей помещали либо стоящими на ногах, либо лежащими на спине, всегда в центр заземленной пластины. Электрод перемещали по направлению к клещу со скоростью 0.01 мм/сек. Расстояние между пластиной и электродом регистрировалось, когда клещ был поднят с подложки зарядом (видео №7). Скорости клещей оценивались для электродов, заряженных при 250 В и 550 В (120 Гц). Чтобы оценить скорость клещей в длинах тела в секунду (дт/с), ученые подсчитывали количество длин клещей на каждом расстоянии перемещения.


Изображение №4

Пассивно привлеченные электрическими полями клещи преодолевали более короткие расстояния, когда стояли на ногах, чем когда лежали на спине (4A и 4B). Цветочные клещи используют свои коготки для прикрепления к медной пластине, и для некоторых зарядов они могут выбирать, когда отцепиться и быть притянутыми электрическим полем. Расстояние воздушного зазора, пересекаемого клещами как в положении лежа на лапках, так и в положении лежа на спине, почти удваивается при увеличении заряда. Клещи могут преодолевать воздушные зазоры длиной в 5.2 раза больше длины их тела.

Цветочные клещи бегают по клювам колибри со средней скоростью 18.4 дт/с (мин. = 10.0, макс. = 26.4 дт/с; 4C). Скорости полета при обоих напряжениях были схожими (4D). Цветочные клещи достигли скоростей, сопоставимых со скоростями, зарегистрированными для двух самых быстрых известных наземных организмов, жука-скакуна Cicindela eburneola (скорость: 171 дт/с) и клеща Paratarsotomus macropalpis (скорость: 192.4 дт/с). По крайней мере на несколько миллисекунд цветочные клещи стали одними из самых быстрых известных наземных организмов (скорости цветочных клещей: средняя = 150.5 дт/с, мин. = 65.0 дт/с, макс. = 202 дт/с.).

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

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые решили изучить поведение цветочных клещей, живущих в цветах и питающихся нектаром, которые используют колибри в качестве транспорта для перемещения с цветка на цветок.

Ранее считалось, что цветочные клещи ориентируются на запах, дабы определить, на какой цветок высадится после «полета» на колибри. Однако исследования и лабораторные опыты показали, что цветочным клещам, несмотря на свое название, абсолютно плевать на запахи цветов. Для них куда важнее электрическое поле.

Ученые построили экспериментальную установку, с помощью которой определили, что клещи действительно реагируют на заряженный электрод. Далее необходимо было установить, привлекают ли клещей статика или частота. Ученые обнаружили, что когда поле представляет собой только статическое электричество, клещи не реагируют, но реагируют, когда поле модулируется. По сути, клещи реагируют на отскок сигнала, который связан с размером, геометрией и вибрацией колибри, которые достигают частот от 20 до 160 Гц.

В другом эксперименте ученые проверил, как клещи распознают очень маленькие положительные электрические заряды. Для этого было использовано весьма простое, но эффективное устройство, состоящее из стеклянной трубки и провода, где провод касался либо алюминиевой, либо медной пластины для генерации заряда. Стеклянная трубка удерживала клеща, и когда устройство заряжалось, клещи реагировали, бегая к положительному полюсу как при более высоких, так и при более низких электрических полях, но только когда оно передавало частоту 120 Гц.

Каждый из 19 видов клещей в Ла-Сельве, где проводились полевые наблюдения, привлекается определенным набором цветов, и они каким-то образом знают, когда они прибыли на нужный цветок и что пришло время запрыгнуть или спрыгнуть с колибри. Потенциально это поведение связано с некой спецификой в электрических сигналах или различных зарядах для цветов. СЭМ снимки передних лапок клещей показали наличие структур, которые помогают им воспринимать электрические заряды и частоты. У разных видов клещей эти структуры отличаются, что может объяснить восприимчивость к разным частотам.

Еще одним удивительным и весьма забавным наблюдением стало то, что в момент «полета» от цветка к колибри, когда электрическое поле притягивает клеща к птице, он становится одним из самых быстрых существ на Земле.

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?