Несмотря на своё внешнее сходство с осами, мухи-журчалки безобидны. Бесстрашные насекомые, которые на самом деле ближе к комарам, чем к осам, имитируют своих далёких жалящих родственников с помощью полос, контрастных цветов и узкой талии. В теории, «мухи в одежде ос» используют эту стратегию, чтобы отпугнуть потенциальных хищников, не тратя при этом ресурсы на эволюцию яда и приспособлений для его впрыскивания. Но на практике вопрос о том, насколько эффективна такая тактика, остаётся открытым.
Качество мимикрии мух может быть разным
От тщательной маскировки до насекомого эквивалента ношения кошачьих ушей на Хэллоуин — эволюционные биологи давно задаются вопросом, почему некоторые журчалки прибегают к таким неточным подражаниям и почему плохая мимикрия сохраняется в популяциях.
Новое исследование предлагает возможное объяснение. Даже сомнительные подражатели могут сбить с толку некоторых хищников, таких как пауки и богомолы, согласно исследованию, опубликованному 2 июля в журнале Nature. В то же время других хищников обмануть сложнее. Используя нетрадиционные методы, исследователи показали, насколько хорошо птицы различают подражателей ос и настоящих ос, и какие особенности имеют значение.
Печать химер насекомых
Команда создала сложные модели насекомых с помощью 3D-печати, чтобы изучить весь спектр от 100% осы до полностью мухи. В четырёх экспериментах с дикими птицами, домашними цыплятами и беспозвоночными они наблюдали, как разные потенциальные хищники реагировали на различные искусственные мимикрии.
Это «новый способ задать вопросы, которые обсуждались в литературе много раз, но не были тщательно проверены», — говорит Том Шерратт, эволюционный эколог из Карлтонского университета в Оттаве. Шерратт не участвовал в исследовании, но соавторствовал в сопроводительной статье News & Views об исследовании. «Я подумал, что это действительно хорошая статья, — говорит он, — у них была отличная идея для этих 3D-печатных насекомых».
Большинство предыдущих исследований мимикрии использовали настоящих насекомых или грубые стимулы, такие как цветные квадраты, для изучения реакции хищников. Но у этих подходов есть ограничения. Либо сигнал рудиментарен, и трудно оценить результаты, либо «вы ограничены только тем, что есть в природе», — говорит Кристофер Тейлор, ведущий автор исследования и эволюционный биолог из Ноттингемского университета в Англии. В отличие от этого, 3D-печать открыла целый мир возможностей. Тейлор и его коллеги смогли точно настроить каждую из моделей, используемых в экспериментах, с желаемым сочетанием особенностей и лучше оценить важность одних изменений по сравнению с другими.
Они обнаружили, что у больших синиц (Parus major), распространённого вида европейских певчих птиц, очень проницательный взгляд. После короткого периода обучения дикие птицы смогли отличить большинство поддельных ос. Они также могли легко различать «мастеров на все руки» — подражателей, которые смешивают черты разных целей, и модели настоящих жалящих насекомых.
Тейлор и его многочисленные соавторы также обнаружили, что цвет и размер были наиболее важными аспектами успешных подражателей, а не форма и узор, в испытаниях с недавно вылупившимися домашними цыплятами. Наконец, они обнаружили, что крабовые пауки и богомолы гораздо более восприимчивы к неточным подражаниям ос, чем птицы, что объясняет, почему эволюция привела некоторых мух к инвестициям в полумеры.
«В некоторых ситуациях, но не во всех, [плохие подражатели] сохраняются, потому что им это сходит с рук. Им не нужно быть суперточными во всех отношениях, чтобы обмануть хищника — с оговоркой, что это зависит от того, какие у них основные хищники», — объясняет Тейлор.
Чтобы прийти к такому выводу, учёные начали с 3D-сканирования настоящих ос и мух, а затем использовали этих оцифрованных насекомых для создания подделок. Они напечатали пластиковые версии настоящих насекомых, гибриды мухи и осы с 25–75% сходством, гибриды между двумя разными видами настоящих ос и версии ос-мушиных химер, где в центре внимания были цвет, размер, форма или узор.
В первом эксперименте учёные представили диким большим синицам решётки-головоломки, состоящие из небольших блюд с крышками. Сверху на каждом блюде была одна из их 3D-моделей насекомых. Под мухами или гибридами мух исследователи поместили вкусного мучного червя. Ничего не было помещено в контейнеры с осами. В течение нескольких недель наблюдений они записывали, в каком порядке птицы подходили к контейнерам. После короткого периода обучения синиц тому, что мухи рекламируют угощение, а осы — потраченное время, птицы легко отделяли даже убедительных подражателей мух от ос. Птицы значительно отдавали предпочтение коробкам с мухами и гибридами мух по сравнению с коробками с осами, согласно результатам.
Команда также проверила, что птицы усвоили урок, применив его к реальным насекомым, проведя испытание, в котором некоторые пластиковые фигурки были заменены на пришпиленных мёртвых насекомых. Они обнаружили, что птицы ассоциировали настоящих мух с едой, а настоящих ос — с меньшей вероятностью вознаграждения.
В другом эксперименте они провели аналогичные испытания, но с 3D-моделями двух разных видов ос и гибридами, охватывающими промежуток между ними. Они обнаружили, что птицы легко могли отличить модели насекомых и быстро усвоили, что пластиковые копии настоящих ос не предлагают еды, в то время как гибридные «подражатели» стоили того, чтобы их поискать.
Затем Тейлор и его коллеги представили детёнышам цыплят различные версии гипотетических подражателей ос, чтобы выяснить, какие черты были наиболее важны для отпугивания хищников. После обучения с вознаграждением они засекали время, которое требовалось цыплятам, чтобы атаковать или исследовать модели насекомых. Когда модели насекомых были жёлтыми и чёрными или точно соответствовали размеру обычной осы, птицы задерживали клевание на более длительное время. Освообразные узоры и формы, с другой стороны, были менее сдерживающим фактором.
В экспериментах с беспозвоночными команда помещала прыгающих пауков, крабовых пауков и богомолов в арену с серией 3D-напечатанных насекомых, по одному за раз, в диапазоне от полной мухи до настоящей осы. В присутствии пластиковых ос исследователи применяли «наказание» к большинству испытуемых, тыкая их в живот. С обучением и без него богомолы и крабовые пауки проявляли значительно иную реакцию на мух, чем на ос, и были гораздо более осторожны в отношении менее промежуточных подражателей, чем птицы. Прыгающие пауки, у которых зрение лучше, чем у многих других беспозвоночных, лучше различали гибридов и настоящих ос.
По словам Шерратта, каждый из этих экспериментов «был бы хорошей статьёй», но тот факт, что они собраны под одной крышей, делает статью интересной и творческой.
Новое биологическое направление
Хотя 3D-печать и является творческой, она имеет ограничения. Во-первых, пластиковые фигурки насекомых являются чисто визуальными сигналами. Они не могут воспроизвести поведение, звук или химические аспекты настоящей живой мухи-журчалки или осы, отмечает Тейлор. Вполне возможно, что эти менее печатаемые особенности могут быть частью того, как хищники выбирают себе еду и учатся избегать неприятных ощущений.
Кроме того, птицы в исследовании были обучены и тестировались на основе вознаграждения/отсутствия вознаграждения. В природе риск нападения на осу заключается не только в том, что вы можете пропустить еду, но и в том, что вас могут ранить, говорит Шерратт. В таких условиях с более высокими ставками птицы в реальности могли бы менее охотно приближаться к подражателям ос, чем в экспериментах.
Тем не менее, исследование является «амбициозным» набегом на новое направление биологических исследований, говорит Шерратт. Он представляет себе учёных, использующих подобные методы для изучения полового отбора и других форм мимикрии.
Тейлор надеется, что их подход к изучению воображаемых адаптаций позволит получить более чёткие ответы на вопрос о том, почему и когда виды достигают долгосрочной формы.
«Это подпитывает более широкий вопрос об эволюции, — говорит он. — Вы видите широкий спектр адаптаций в природе, но насколько хорошо адаптированным должен быть конкретный вид, прежде чем он достигнет пика?»