Ученые выяснили, как шмели избегают перегрева во время полета

Фото из открытых источников

Шмели и пчелы могут выглядеть неуклюжими и нелепыми, паря над цветком, но не стоит обманываться: они относятся к числу самых «горячих» насекомых и способны летать со скоростью 22 километра в час. Даже в зависании их мощные мышцы крыльев выделяют много тепла. Как и любой высокопроизводительный транспорт, шмели имеют способы охлаждения своих двигателей — и новое исследование показывает, насколько эффективным может быть один из этих методов.

Как сообщают исследователи в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, когда шмель зависает в воздухе, создаваемый им ветер может снизить температуру тела насекомого на 5°C. По словам Арта Вудса, физиолога насекомых из Университета Монтаны, «огромная» величина этого охлаждения означает, что эффект обдувания имеет большое значение для летающего насекомого. Он добавляет, что, улучшив наше понимание того, как температура влияет на полет шмелей, эти результаты позволят ученым лучше прогнозировать способность насекомых выживать в условиях глобального потепления.

Полёт насекомых давно привлекает внимание учёных. Леонардо да Винчи изучал стрекоз и сконструировал на их основе летательный аппарат. В последнее время некоторые биологи сосредоточились на влиянии тепла, выделяемого мышцами, отвечающими за полёт. Например, холодным утром насекомые разогревают свои летательные мышцы, взмахивая крыльями; шмели могут использовать этот процесс для повышения температуры своего тела более чем на 30°C по сравнению с температурой окружающего воздуха. «Ваша машина прогрелась и готова к поездке», — говорит Джордан Гласс, физиолог-эколог из Университета Вайоминга, ведущий автор нового исследования шмелей.

Теоретически, такой уровень метаболической активности может ограничивать способность пчел летать в жаркую погоду. Но у шмелей есть несколько способов охлаждения, например, передача тепла от груди к более прохладному брюшку через циркулирующую жидкость, называемую гемолимфой. Исследователи изучали этот эффект и другие факторы температуры тела, такие как нагрев от солнца и испарительное охлаждение, чтобы создать так называемую модель теплового баланса шмеля. Но Гласс понял, что в этой модели чего-то не хватает: никто подробно не измерял охлаждение, которое происходит за счет обтекания тела шмеля воздухом, создаваемого его взмахами крыльев.

Первым шагом было определить скорость движения воздуха. Один из соавторов поместил шмелей в камеру, усеянную датчиками скорости воздуха. Пока шмели зависали над искусственным цветком в камере, исследователи зафиксировали скорость движения воздуха в диапазоне от 0,25 до 2 метров в секунду. Затем, поместив сухой лед в воду в камере для создания дымообразных облаков, команда определила характер этого воздушного потока.

Чтобы точно измерить охлаждающий потенциал этого воздушного потока, Гласс и его коллеги затем усыпили 18 шмелей. В каждую из них они вставили крошечный температурный зонд, нагрели тело до 50 °C и поместили его в аэродинамическую трубу, которая могла имитировать воздушные потоки и скорости, измеренные командой вокруг парящего шмеля.

Гласс и его коллеги подсчитали, что без измеренного ими охлаждающего эффекта зависшие в воздухе шмели перегрелись бы и упали бы менее чем за 2 минуты. В других лабораторных экспериментах, по словам Гласса, летательные мышцы пчел показали, что они могут испытывать своего рода механическую неисправность, подобную перегреву автомобиля. Но Гласс добавляет, что пчелы потенциально могут чувствовать эту угрозу — своего рода предупреждение «проверьте двигатель» в мозге — и вскоре после этого приземляться, чтобы восстановиться.

По словам Вудса, эта команда первой провела столь тщательные измерения охлаждающего эффекта, создаваемого крыльями. Тем не менее, остаются вопросы, например, о величине охлаждения во время поступательного полета, который сложнее измерить в лаборатории, чем зависание. Санджай Сане, изучающий полет насекомых в Институте фундаментальных исследований Тата, предполагает, что охлаждающий эффект может быть значительным только во время зависания. Вудс же предполагает, что во время поступательного полета нисходящий поток воздуха может быть менее выраженным — важным источником охлаждения во время зависания.

Гласс изучает дополнительные факторы, например, как волоски, покрывающие грудь шмеля, влияют на теплопередачу. Его цель: определить, насколько уязвимы пчелы и другие опылители к перегреву в условиях меняющегося климата. «Насколько выносливы эти животные? Смогут ли они адаптироваться и выстоять в меняющемся мире?»