Голод не тётка: учёные выяснили что дрозофилы при сильном недостатке пищи могут пролететь расстояние до 15 километров
В 2005 году ультрамарафонец пробежал непрерывно 560 километров (350 миль) за 80 часов, не спя и не останавливаясь. Это расстояние было примерно в 324 000 раз больше длины тела бегуна. Тем не менее, согласно новому исследованию Калифорнийского технологического института, этот экстремальный подвиг меркнет по сравнению с относительными расстояниями, которые плодовые мушки могут преодолеть за один полет.
Ученые Калифорнийского технологического института обнаружили, что плодовые мухи могут пролететь до 15 километров (около 9 миль) за одно путешествие, что в 6 миллионов раз больше их длины тела, или что эквивалентно более чем 10 000 километров для среднего человека. По сравнению с длиной тела это больше, чем многие перелетные виды птиц могут летать за день. Чтобы увидеть это собственными глазами, команда провела эксперименты на дне высохшего озера в пустыне Мохаве в Калифорнии, выпуская мух и заманивая их в ловушки, содержащие ферментирующий сок, чтобы определить их максимальную скорость.
Исследование проводилось в лаборатории Майкла Дикинсона, Эстер М. и Эйба М. Зарем, профессоров биоинженерии и аэронавтики и исполнительного директора по биологии и биологической инженерии. Документ с описанием исследования появится в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 20 апреля.
Работа была мотивирована давним парадоксом, который был выявлен в 1940-х годах Феодосием Добжанским и другими пионерами популяционной генетики, изучавшими виды дрозофил на юго-западе США. Добжанский и другие обнаружили, что популяции мух, разделенные тысячами километров, выглядят гораздо более генетически похожими, чем можно легко объяснить их оценками того, как далеко крошечные мухи действительно могут путешествовать. Действительно, когда биологи выпускали мух на улицу, насекомые часто просто жужжали кругами на коротких расстояниях, как на наших кухнях.
По-другому ли ведут себя мухи в дикой природе в поисках пропитания? В 1970-х и 1980-х годах группа популяционных генетиков попыталась разрешить этот парадокс, покрыв сотни тысяч мух флуоресцентным порошком и выпустив их однажды вечером в Долине Смерти. Примечательно, что на следующий день группа обнаружила несколько флуоресцентных мух в ведрах с гниющими бананами на расстоянии около 15 километров от начальной локации.
«Эти простые эксперименты подняли так много вопросов, - говорит Дикинсон. «Сколько времени им потребовалось, чтобы лететь туда? Может их просто унесло ветром? Было ли это случайностью? Я читал эту статью много раз и нашел ее очень вдохновляющей. Никто не пытался повторить эксперимент таким образом, чтобы убедиться на личном опыте, были ли мухи унесены ветром, с какой скоростью они летели и как далеко они действительно могут улететь ».
Чтобы измерить, как летят мухи собственным ходом и взаимодействуют с ветром, команда разработала эксперименты по типу«выпустил - поймал». Под руководством бывшего научного сотрудника Кейт Лейтч команда совершила несколько поездок к озеру Койот, расположенному в 140 милях от Калифорнийского технологического института в пустыне Мохаве, с сотнями тысяч обычных лабораторных плодовых мух Drosophila melanogaster за пазухой.
Цель состояла в том, чтобы выпустить мух, заманить их в ловушки в определенных местах и измерить, сколько времени требуется насекомым, чтобы долететь до финиша. Для этого команда установила 10 «ароматных ловушек», каждая из которых расположена в радиусе одного километра вокруг места выброса. Каждая ловушка содержала дразнящий коктейль из ферментирующего яблочного сока и шампанских дрожжей, комбинацию, которая производит углекислый газ и этанол, столь соблазнительные для плодовой мухи. Каждая ловушка также имела камеру и была сконструирована с односторонними клапанами, чтобы довольные мухи после столь вкусного коктейля не смогли улететь дальше. Кроме того, исследователи установили метеостанцию для измерения скорости и направления ветра в месте выброса на протяжении каждого эксперимента; это указывало бы на то, как ветер повлиял на полет мух.
Чтобы не мешать их летным характеристикам, команда не покрывала мух идентификаторами, такими как флуоресцентный порошок. Так как же они узнали, что ловят собственных плодовых мушек? Перед выпуском группа сначала разместила ловушки и проверила их с течением времени и обнаружила, что, хотя D. melanogaster встречаются на финиковых фермах в Мохаве, они крайне редки на озере Койот.
Команда повторила эти эксперименты при различных ветровых условиях.
Первым плодовым мухам потребовалось около 16 минут, чтобы преодолеть один километр, чтобы добраться до ловушек, что соответствует скорости примерно 1 метр в секунду. Команда интерпретировала эту скорость как нижний предел (возможно, первые мухи немного буксовали по кругу после выпуска или не летели по идеально прямой траектории). Предыдущие лабораторные исследования показали, что полностью накормленная плодовая муха имеет энергию для непрерывного полета до трех часов; экстраполируя, команда пришла к выводу, что D. melanogaster может пролететь от 12 до 15 километров за один полет, даже при слабом ветре, и будет лететь дальше, если им поможет попутный ветер. Это расстояние примерно в 6 миллионов раз больше средней длины тела плодовой мухи (2,5 миллиметра, или одна десятая дюйма).
«Способность этих маленьких плодовых мух к распространению была сильно недооценена. Они могут путешествовать так далеко или даже дальше, чем большинство перелетных птиц за один полет. Эти мухи являются стандартной лабораторной моделью для исследований, но они почти никогда не изучаются вне лаборатории и так что мы мало знали, каковы были их летные возможности, - говорит Дикинсон.
В 2018 году лаборатория Дикинсона обнаружила, что плодовые мушки используют солнце в качестве ориентира, чтобы летать по прямой в поисках пищи. Бесцельный полет по кругу может быть смертельным, поэтому способность эффективно ориентироваться дает эволюционное преимущество. После завершения экспериментов по выпуску, описанных в этом исследовании, команда предположила модель, которая продразумевает, что каждая муха выбирает направление наугад, использует солнце, чтобы лететь прямо в этом направлении, и тщательно регулирует свою скорость движения, позволяя при этом встречному потоку ветра нести их к цели. Это позволяет им преодолеть как можно большее расстояние и увеличивает вероятность того, что они рано или поздно столкнутся с шлейфом запаха от источника пищи.
Несмотря на то, что D. melanogaster эволюционирует вместе с людьми, эта работа показывает, что мозг мух по-прежнему содержит древние поведенческие модули.
Дикинсон объясняет: «Для любого животного, если вы окажетесь в глуши, где нет еды, что вы будете делать? Вы просто будете истерично прыгать в панике? Или же вы попытаетесь выбрать направление и пойти в этом направлении, насколько это возможно, и надеется на лучшее». Эти эксперименты предполагают, что это то, что делают мухи».