Сюрпризы эволюции цвета

Природа полна цвета. Для цветов окраска — в первую очередь способ привлечь опылителей. Насекомые используют цветовое зрение не только для поиска нужных цветов, чтобы питаться, но и для нахождения партнёров. Эволюционное взаимодействие насекомых и растений создало сложные взаимозависимости с неожиданными результатами. Биолог Каспер ван дер Кой из Университета Гронингена использует междисциплинарный подход для анализа взаимодействия опылителей и цветов. В январе он стал первым автором двух обзорных статей на эту тему.

Пчёлы и другие насекомые посещают цветы, чтобы питаться нектаром и пыльцой. В обмен на эти «дары» они помогают размножению растений, опыляя их цветы. Это простая и слегка романтичная картина. Однако реальность полна обмана, химической войны и биомеханических уловок. «Сочетание химии и физики с эволюционной биологией расширило наш взгляд на опыление», — говорит Ван дер Кой.

Анатомия

Он является первым автором обзорной статьи об эволюции цветового зрения у насекомых, опубликованной в январском выпуске 2021 года журнала Annual Review of Entomology, и второго обзора о «гонке вооружений» между растениями и опылителями, вышедшего 25 января в Current Biology.

«Для многих семейств насекомых мы очень мало знаем о том, как они видят цвета», — отмечает Ван дер Кой. Пчёлы изучены очень подробно, но о цветовом зрении мух известно гораздо меньше, хотя многие их семейства, например, журчалки, являются важными опылителями. «Их сложно изучать и содержать в лаборатории, а анатомия их глаз более сложная», — объясняет Ван дер Кой. — «Кроме того, некоторые давние представления о зрении мух недавно были опровергнуты».

Пигменты

Ван дер Кой и его соавторы составили таблицу, показывающую, какие длины волн могут видеть разные виды насекомых. «В основном цветовое зрение насекомых работает в диапазоне от 300 до 700 нанометров. Большинство фоторецепторов в глазах насекомых обнаруживают ультрафиолетовый, синий и зелёный свет, но существует большое разнообразие». Цветовое зрение у насекомых эволюционировало до появления первых цветов. «Пигменты в цветах, по-видимому, настроены так, чтобы быть видимыми для опылителей. Но, конечно, насекомые затем тоже эволюционировали совместно».

Помимо цвета, растения используют запах, чтобы привлечь насекомых к предлагаемой пище. Поскольку производство нектара и пыльцы требует затрат, растениям нужно защищаться от «грабителей», которые поедают пищу, но не опыляют цветы. Этому посвящена вторая обзорная статья. «В этой статье показано огромное разнообразие взаимоотношений между растениями и опылителями — от настоящего мутуализма до откровенного обмана». Некоторые растения вообще не предоставляют пищу. «У других пыльца или нектар токсичны для большинства видов пчёл. Только определённые виды могут их переварить».

Биомеханика

У опылителей тоже есть свои цели. «Одно конкретное растение опыляется бабочками ранней весной. Бабочка также откладывает яйца на это растение, и позже, летом, гусеницы будут поедать его части. В это время основными опылителями для этого растения являются мухи». Это один из примеров сложных отношений между растениями и опылителями. «Могут быть сезонные различия, но отношения также могут различаться в разных местах — существует вариация во времени, пространстве и через различные биологические взаимодействия», — говорит Ван дер Кой.

Обзор фокусируется на разных аспектах сложных отношений, используя подходы химической биологии (например, содержание питательных веществ в нектаре или пыльце), биомеханики (например, барьеры, которые цветы используют для отпугивания нежелательных насекомых или для обеспечения распространения пыльцы) и сенсорной биологии (например, способы обнаружения и распознавания цветов насекомыми).

Вибрация

Некоторые растения, например, многие виды семейства паслёновых, развили метод «жужжащего опыления», при котором пыльца хранится в трубках, и насекомым нужно вибрировать на цветках, чтобы её высвободить. «Медоносные пчёлы, мухи и бабочки не могут до неё добраться, но другие пчёлы, такие как шмели, могут вытряхнуть пыльцу, используя свои сильные летательные мышцы». Жёсткость трубок, липкость пыльцы и частота вибрации жужжащих пчёл — всё играет роль в этом процессе. «Для понимания их взаимоотношений действительно нужны инструменты из физики». Междисциплинарное изучение взаимодействий насекомых и растений — это то, что любит Ван дер Кой. Он начал свою карьеру с использования оптических методов. «Отчасти это потому, что я очень люблю физику. Но каждый новый подход покажет нам новые аспекты этих сложных отношений».

Недавним развитием в этой области стало осознание того, что растения в разных географических точках различны. «Василёк в Нидерландах не обязательно такой же, как василёк в Италии. Например, химический состав пыльцы или нектара может быть разным, что влияет на взаимодействие с насекомыми».

Убежища для насекомых

Это имеет серьёзные последствия для попыток увеличить численность насекомых путём создания цветущих полос («убежищ»), объясняет Ван дер Кой: «Иногда семенные смеси для цветущих полос закупаются не на местном уровне, а из других стран. В этом случае может возникнуть несоответствие с местными насекомыми, что может даже навредить их численности». Поэтому убежища для насекомых лучше всего создавать, используя местные семена.

Обе обзорные статьи подчёркивают, насколько сложными могут быть отношения между растениями и опылителями. Так зачем растениям это нужно? Почему они все не используют ветроопыление? «Это хорошие вопросы», — говорит Ван дер Кой. — «Эффективность ветроопыления низка, но то же самое можно сказать и об опылении животными. Тем не менее, примерно 90% видов растений используют последний метод, так что это огромный успех». Но даже это сложно: «Злаки используют ветроопыление, и в некотором смысле они тоже успешные группы. Как и почти всё в биологии, ответ так часто звучит как «это зависит…»».