Как мотыльки создают плащи-невидимки, которые не могут быть обнаружены хищниками с помощью биосонара

Исследователи из Бристольского университета и компании Diamond Light Source обнаружили, как мотыльки создают мощную мантию-невидимку, которая предотвращает обнаружение биосенсором. Эту работу («Городские адаптации, вдохновленные жизнью: чему нас могут научить насекомые в борьбе с шумом») руководил профессор Марк Холдед, профессор сенсорной биологии, сенсорный эколог и эксперт по биоакустике.

Он посвятил более 20 лет изучению летучих мышей и их исключительной способности ориентироваться и захватывать добычу с помощью эхолокации. Извлекая уроки из невидимого антиэхолокационного плаща, который он обнаружил в мире насекомых, он приступил к миссии по разработке вдохновленных жизнью звукопоглотителей, которые помогут сделать мир тише и здоровее.

Используя гениальные свойства крыльев мотылька, можно создать звукопоглотитель, обеспечивающий высокое поглощение при минимальных требованиях к пространству. Цель состоит в том, чтобы улучшить условия жизни, поскольку звукопоглотители, вдохновленные молью, могут быть на 90% тоньше и легче, чем существующие решения, что делает доступными экзотические материалы, такие как звукопоглощающие обои.

Профессор Холред объясняет: «Эволюция эхолокации у летучих мышей и то, как другие организмы реагируют на нее, были в центре моей работы. Я и моя команда изучаем, как организмы развили эхо, соответствующее их потребностям. Так же, как большинство цветов используют цвет для привлечения насекомых». Что касается птиц-опылителей, мы обнаружили, что цветы, опыляемые летучими мышами, транслируют Equalizer: «В настоящее время мы изучаем, как ночные насекомые без ушей полагаются на акустическую маскировку против летучих мышей, демонстрируя сложную акустическую гонку вооружений между хищником и добычей».

Одно из интригующих открытий исследования профессора Холрейда связано с замечательной адаптацией мотыльков, особенно шелкопрядов. У этих ночных летающих насекомых отсутствуют типичные защитные механизмы, такие как чувствительные к ультразвуку уши, и вместо этого они полагаются исключительно на акустическую маскировку, обеспечиваемую их пушистыми телами и тонким слоем перекрывающихся чешуек на крыльях.

Удаление меха или чешуи делает их эхо громче. Это означает, что мех и чешуя поглощают звуки, используемые летучими мышами, создавая мощный плащ-невидимку от обнаружения биолокатором и замечательную звуковую защиту.

Профессор Холрейд говорит: «Кроме того, мы обнаружили, что тонкий слой перекрывающихся чешуек на их крыльях также действует как проницаемый акустический материал — единственный известный материал, встречающийся в природе — с исключительными звукопоглощающими свойствами. Это открытие имеет огромный потенциал для воспроизведение этого исключительного природного звукопоглотителя в приложениях по контролю шума, которые могут принести пользу всем нам».

Признавая значительное влияние шума на здоровье человека, особенно в городской среде, проект Фонда стипендий профессора Холдеррейда направлен на разработку коммерческого решения для борьбы с шумом, вдохновленного окрестностями. Городской шум является вторым по величине экологическим риском для здоровья, вызывая серьезные негативные последствия для здоровья и влекя за собой значительные затраты.

Визуализация крыльев мотылька на Diamond Light Source, Национальном синхротроне Великобритании, сыграла важную роль в выявлении микро- и наноструктуры этого природного метаакустического материала, который создает его новые акустические свойства.

Профессор Кристоф Рау, главный научный сотрудник Beamline в Diamond, добавляет: «Недавно мы провели схематическое изображение, чтобы показать, как нанопористость улучшает акустические характеристики крыльев мотылька. Трехмерное исследование бабочек на разных уровнях детализации играет решающую роль, обеспечивая понимание взаимосвязи между структурой и их акустическими свойствами». Звукопоглощение чешуи грудной моли способно поглощать около двух третей акустической энергии, излучаемой хищником, летучей мышью, и значительно увеличивает способность насекомого к выживанию».

В этом исследовании использовалась ветвь И13-2 Даймонд-Манчестер, где мелкие детали структур были изучены с помощью фазово-контрастной томографии, что позволило получить ключевые данные для акустического моделирования. В настоящее время эта работа расширяется для исследования акустических структурных свойств крыльев.

Структура крыльев очень точна, поэтому требуется точность в масштабе наноразмеров, чтобы связать конструкцию крыла со способностью звукопоглощения. Вторая ветвь на линии луча I13, ветвь когерентности I13-1, обеспечивает возможности визуализации с самым высоким пространственным разрешением. С помощью метода, называемого птихографией, картина рассеянных рентгеновских световых волн реконструируется и не ограничивается разрешающей способностью детекторов или рентгеновской оптики.

Это обеспечивает беспрецедентную возможность изображения с высоким разрешением, что необходимо для звукоподражания в дальнейшем. «Данные с высоким разрешением действительно впечатляют своим качеством», — говорит главный научный сотрудник службы поддержки Кудакваше Джаката, который недавно присоединился к команде I13, занимающейся сбором и анализом данных.

В целом, многомасштабные возможности визуализации и когерентности I13 Beamline обеспечивают комплексный подход к идентификации и пониманию различных структур для поглощения звука и защиты бабочек от хищников.

Помимо борьбы с шумом, профессор Холрейд подчеркивает критическую роль биоразнообразия и необходимость защищать каждый организм, обитающий в нашей среде обитания. Насекомые, в том числе мотыльки, являются неотъемлемой частью экосистем, внося свой вклад в стабильность и демонстрируя хитроумные приспособления. Утрата биоразнообразия сокращает наши возможности открывать и учиться на чудесных изобретениях природы. Способствуя осознанию и оценке разнообразия жизни, мы можем обеспечить гармоничное сосуществование с миром природы.

Работа профессора Холрида над вдохновленными жизнью звукопоглотителями показывает огромный потенциал адаптации природы в решении сложных проблем со здоровьем. Он считает, что, принимая учения природы, мы можем найти множество решений для более устойчивого и гармоничного мира.