Запах направляет бражников к идеально подходящим цветам

Более 150 лет назад Чарльз Дарвин заметил поразительное соответствие между формой многих опылителей и формой цветков, которые они опыляют. Он описал эту идеальную взаимную адаптацию как результат коэволюционного процесса. Ученые из Института химической экологии Макса Планка в Йене (Германия) представили новые доказательства теории знаменитого натуралиста. Они показали, что бражники Manduca sexta получают наибольший прирост энергии, когда посещают цветы, длина венчика которых соответствует длине их хоботка. В выборе наиболее подходящих источников нектара мотылькам помогает врожденное предпочтение к запаху соответствующих цветов.

В 1862 году Дарвин, наблюдая за орхидеей Angraecum sesquipedale с Мадагаскара, предположил существование опылителя с необычайно длинным хоботком. В 1903 году такой опылитель был обнаружен — бражник Xanthopan morganii praedicta с хоботком длиной более 22 см.

Биологи используют термин «синдром опыления», объясняя удивительное разнообразие цветковых растений и опылителей, возникшее в результате коэволюции. Такая система может быть высокоспециализированной: растение повышает вероятность переноса пыльцы на цветки своего вида, а специализированный опылитель получает преимущество перед конкурентами-генералистами благодаря лучше приспособленному хоботку. Недостаток специализации — взаимная зависимость: репродуктивный успех растения падает в отсутствие опылителя, а выживаемость опылителя снижается без растения.

Исследователи предположили, что для бражника Manduca sexta, который является генералистом, должен существовать идеально подходящий цветок. Эти крупные мотыльки, зависая перед цветком, совершают более 30 взмахов крыльев в секунду, что требует огромных затрат энергии. Поэтому правильный выбор цветка для них критически важен.

Энергетический баланс после посещения цветка

Для проверки гипотезы ученые создали небольшую аэродинамическую трубу, чтобы определить потери энергии мотыльков в полете по количеству выдыхаемого CO₂. С помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии они также рассчитали концентрацию сахаров в нектаре и определили калорийность цветков.

Были протестированы семь видов табака (Nicotiana) с разной длиной венчика: от менее 1,5 см (N. rustica) до более 11 см (N. longiflora). Оказалось, что все цветки в тесте обеспечивали примерно одинаковое количество калорий: у более длинных цветков было больше нектара, но у коротких он был более концентрированным.

Ученые рассчитали чистый энергетический выигрыш, сбалансировав энергию, полученную от нектара, с энергией, затраченной на зависание перед цветком.

3D-трекинг в аэродинамической трубе

Чтобы выяснить, могут ли мотыльки оценить ожидаемую выгоду от цветка на расстоянии, исследователи разработали специальную трехмерную систему отслеживания с несколькими камерами. Впервые удалось измерить и визуализировать, где в трубе и в какой концентрации присутствуют молекулы запаха, и соотнести это с поведением мотылька.

Все мотыльки в эксперименте впервые сталкивались с запахом цветов, поэтому их реакция и предпочтения были врожденными. Голодные мотыльки сильнее всего реагировали на запах Nicotiana alata и сразу направлялись к его источнику. Нектар этих цветков был легко доступен для их хоботков. Только посещение цветков N. alata давало положительный чистый энергетический выигрыш. При посещении других цветков Nicotiana бражники тратили чрезмерную энергию, испытывая трудности с добычей нектара из слишком коротких или слишком длинных венчиков.

«Мы показали, что предсказание Дарвина о том, что у каждого цветка есть опылитель с подходящим хоботком, у Manduca привело не только к очень длинному хоботку, но и к предпочтению запаха подходящего цветка. И эта коэволюция выгодна мотыльку, так как он получает лучший энергетический выигрыш от подходящих цветов», — заключает Маркус Кнадэн.

Синдром опыления важен для выживания многих растений. В ходе эволюции взаимные адаптации привели к возникновению множества видов и высокоспециализированных взаимодействий. «Каждый вид-опылитель важен для биологического разнообразия на нашей планете. Если один из партнеров становится редким или вымирает, это может иметь фатальные последствия», — отмечает Александр Хаверкамп. Без опылителей многие растения не смогли бы производить плоды, что повлияет не только на урожай, но и на разнообразие пищи для человека.