Учёные раскрыли сложность «жужжащего опыления»: как пчёлы вибрируют, чтобы достать пыльцу

Не все цветы легко отдают свою пыльцу. У некоторых растений пыльца находится глубоко внутри трубчатых тычинок и просто так не высыпается. Пчёлы решили эту проблему остроумно: они кусают цветок и используют мышцы крыльев, чтобы создать быстрые вибрации. Вибрирующая тычинка отпускает пыльцу, и пчела получает свой приз. Это явление называют «жужжащим опылением» (buzz pollination).

Почему механика сложнее, чем казалось

Долгое время учёные изучали жужжащее опыление на примере растений рода Solanum, включая помидоры. У них тычинки сравнительно прямые и жёсткие, ведут себя как твёрдое тело, движущееся вверх-вниз. Но тропическое растение Medinilla magnifica, которое исследовала новая работа, устроено намного сложнее.

Структура тычинки и её движения

Тычинка Medinilla magnifica состоит из нескольких частей: тонкого стебелька (филамента) и изогнутой пыльцевой структуры (антера), из которой пыльца выходит через маленькое отверстие на кончике. Команда исследователей разработала специальный испытательный стенд с электромеханическим встряхивателем. Отдельные тычинки монтировались на стенд и возбуждались синусоидальным движением. Лазерный датчик линии измерял движение в разных точках.

Три резонанса ниже 1000 герц

Измерения показали, что тычинка Medinilla magnifica имеет три характеристических резонанса ниже примерно 1000 герц. Вторая из этих резонансов находится в диапазоне частот 100–400 герц, который пчёлы обычно используют для вибрации цветков. Первая резонанса находится чуть ниже этого диапазона, третья — значительно выше.

Противоположные движения частей тычинки

В зависимости от частоты разные части тычинки могут совершать совершенно разные виды движения. При определённых частотах филамент и антера движутся даже в противоположных направлениях. Выше второй резонанса кончик антеры может двигаться в противоположном направлении по отношению к остальной части тычинки. Это означает, что механический ответ цветка намного сложнее простого движения туда-сюда.

Что это значит для пыльцы

Результаты исследования, опубликованные в Journal of the Royal Society Interface, предполагают, что при жужжащем опылении важны не только сила и частота вибрации, но и форма тычинки. Цветки с разными структурами могут переводить вибрации пчёл во внутренние деформации по-разному — и тем самым влиять на выпуск пыльцы. Выяснилось, что выпуск пыльцы зависит не только от того, насколько сильна вибрация, но и от паттерна деформации, который она производит.

Новый подход к биомеханике

Для точного измерения движений тычинки Medinilla magnifica исследователи не могли использовать обычный лазерный точечный датчик — компьютерные модели показали, что при таком подходе движения выше 200 герц было бы трудно надёжно разрешить. Команда разработала улучшенное измерение, которое позволило определить не только амплитуду вибрации, но и фазу колебаний разных частей тычинки: колеблются ли они синхронно, сдвинуты ли их движения относительно друг друга или они движутся в точно противоположных направлениях.

Применение методов мехатроники в биологии показало, что сложные механические системы в природе требуют более детального анализа, чем предполагалось ранее.