Насекомые используют восковой слой на своём теле, чтобы предотвратить потерю воды. Более того, они используют этот слой для общения. Хотя химический состав этого слоя был тщательно изучен, исследователи из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) в Германии и Университета Париж Сайенс Леттр (Université Paris Cité) во Франции впервые обратились к изучению его физических свойств, особенно фазового поведения.
Они сосредоточились на анализе вязкости, определяя сопротивление слоя течению.
«Что касается муравьёв, мы продемонстрировали, что существует не только гелевая фаза и жидкая фаза, но и то, что жидкая фаза имеет два разных уровня вязкости. Одна из них довольно вязкая, с вязкостью, похожей на мёд, в то время как более текучая фаза имеет вязкость, напоминающую оливковое масло», — объяснил доктор Флориан Менцель с факультета биологии в Майнцском университете.
«Это причина, по которой насекомые могут поддерживать несколько функций воскового слоя одновременно, даже когда они подвергаются колебаниям температуры».
Результаты исследования были опубликованы в Journal of the Royal Society Interface. Полученные данные способствуют пониманию физических механизмов, лежащих в основе биологических функций воскового слоя насекомых.
В последние годы наблюдается резкое сокращение популяций насекомых, которое усугубляется глобальным потеплением. Высокие температуры особенно опасны для насекомых, поскольку их площадь поверхности велика по отношению к объёму тела, что увеличивает риск обезвоживания. Воздействие тепла может привести к чрезмерной потере воды через хитиновую кутикулу.
Восковой слой, состоящий из кутикулярных углеводородов (КУВ), покрывает хитин и образует барьер, через который молекулы воды почти не проникают. Чем выше его вязкость, тем он более водонепроницаем.
Однако КУВ также служат сигналами для общения, которые улавливаются другими муравьями и обеспечивают, например, распознавание муравьями-собратьями друг друга и распределение задач в гнезде между рабочими. Чтобы обеспечить эффективность химической коммуникации между насекомыми, восковой слой должен иметь низкую вязкость, чтобы сигналы могли быть легко восприняты.
Исследователи хотели узнать, как вязкость защитного слоя меняется в зависимости от температуры. Для этого они подвергали муравьёв различным температурам в течение нескольких недель, а затем анализировали изменения в их восковом слое. Они обнаружили, что его вязкость уменьшалась с повышением температуры, как и у всех полужидкостей — подобно тому, как мёд становится более жидким при нагревании.
Команда обнаружила ещё один интересный эффект при изучении воскового слоя муравьёв, содержавшихся при разных температурах акклиматизации.
«В некоторых восковых слоях наблюдался эффект, который был фактически противоположным», — сказала Селина Хютмахер из Майнцского университета. «Вязкость воскового слоя муравьёв, живущих при температуре 28 градусов Цельсия, была выше и менее текучей, чем у слоя муравьёв, содержавшихся при температуре 20 градусов Цельсия».
Конечно, чем выше температура, тем больше риск потери воды. В результате муравьям необходимо более эффективно защищать себя от обезвоживания с помощью более вязкого защитного слоя.
«Это означает, что муравьи активно реагируют на естественные изменения вязкости, изменяя химический состав воскового слоя и тем самым адаптируя его текучесть к текущим потребностям», — объяснил Менцель.
Исследователи также рассмотрели, как изменения температуры акклиматизации или температуры измерения влияют на вязкость. Результаты были особенно интересными, когда и температура акклиматизации, и температура измерения были одинаковыми.
Если муравьёв содержали при температуре 28 градусов Цельсия, а восковой слой измеряли при 28 градусах Цельсия, вязкость была эквивалентна вязкости слоя муравьёв, содержавшихся при 20 градусах Цельсия и измеренных при 20 градусах Цельсия, что указывает на то, что вязкость является основным параметром, определяющим функцию слоя КУВ.
«Это сложное фазовое поведение очень увлекательно», — заключила Хютмахер. «Именно поэтому восковой слой насекомых может служить для предотвращения обезвоживания и для общения одновременно, хотя у этих двух функций диаметрально противоположные требования».