Sekretny elektrostatyczny świat owadów

Zdjęcie: Kozou Sakai/Quanta Magazine

Eksperymenty pokazują, że pszczoły mogą wyczuwać pola elektrostatyczne wokół kwiatów, a nawet zbierać pyłek przez szczelinę powietrzną za pomocą sił statycznych

Wyobraź sobie przez chwilę, że jesteś pszczołą miodną. Pod wieloma względami twój świat jest mały. Twoje cztery delikatne skrzydła, każde o długości mniejszej niż centymetr, przenoszą twoje półgramowe ciało przez rozległe krajobrazy pełne gigantycznych zwierząt i roślin. Pod innymi względami twój świat jest rozległy, a nawet wielki. Pięcioro oczu widzi kolory i wzory, których ludzie nie są w stanie dostrzec, a wielozmysłowe czułki wykrywają zapachy odległych kwiatów.

Przez lata biolodzy zastanawiali się, czy pszczoły mają jeszcze jeden wielki zmysł, którego nam brakuje. Elektryczność statyczna, którą gromadzą podczas lotu - podobna do ładunku generowanego podczas szurania po dywanie w grubych skarpetach - może być wystarczająco silna, aby wyczuwać i wpływać na otaczające obiekty za pośrednictwem powietrza. Zwierzęta wodne, takie jak węgorze, rekiny i delfiny, są znane z wyczuwania elektryczności w wodzie, która jest doskonałym przewodnikiem ładunków. Natomiast powietrze jest słabym przewodnikiem. Może jednak przekazywać wystarczająco dużo, aby wpływać na żywe istoty i ich ewolucję.

W 2013 roku Daniel Robert, ekolog sensoryczny z Uniwersytetu w Bristolu w Anglii, dokonał przełomu w tej dyscyplinie, gdy jego laboratorium odkryło, że pszczoły mogą wykrywać i rozróżniać pola elektryczne promieniujące z kwiatów. Od tego czasu więcej eksperymentów udokumentowało, że pająki, kleszcze i inne owady mogą wykonywać podobną sztuczkę.

Ta statyczność zwierząt wpływa na ekosystemy. Pasożyty, takie jak kleszcze i glisty, wykorzystują pola elektryczne generowane przez większe zwierzęta-żywicieli. W zachowaniu znanym jako balonowanie, pająki latają, rozciągając jedwabną nić, aby złapać ładunki na niebie, czasami podróżując setki kilometrów z wiatrem. W tym roku badania przeprowadzone w laboratorium Roberta ujawniły, w jaki sposób ładunki elektrostatyczne przyciągają pyłki do motyli i ćmy oraz mogą pomagać gąsienicom w unikaniu drapieżników.

Nowe badania wykraczają poza dokumentowanie ekologicznych skutków elektrostatyki: mają również na celu odkrycie, czy i w jaki sposób ewolucja dostroiła ten elektryczny zmysł. Elektrostatyka może okazać się siłą ewolucyjną w przetrwaniu małych stworzeń, która pomaga im znaleźć pożywienie, migrować i atakować inne żywe istoty.

Zdjęcie: Alexander Robert

Daniel Robert studiuje biofizykę zwierzęcą na University of Bristol. Jego laboratorium nagromadziło badań na temat zmysłu elektrostatycznego pszczół, pająków, motyli i więcej.

Ta rozwijająca się dziedzina, znana jako elektrorecepcja powietrzna, otwiera nowy wymiar świata przyrody. „Uważam to za absolutnie fascynujące” - powiedziała Anna Dornhaus, ekolog behawioralny z University of Arizona, która nie była zaangażowana w prace. „Cała ta dziedzina, badająca interakcje elektrostatyczne między żywymi zwierzętami, ma potencjał do odkrywania rzeczy, które nie przyszły nam do głowy na temat tego, jak działa świat”.

„Wiemy z tych wszystkich genialnych eksperymentów, że pola elektryczne odgrywają funkcjonalną rolę w ekologii tych zwierząt” - powiedział Benito Wainwright, ekolog ewolucyjny z University of St. Andrews, który badał systemy sensoryczne motyli i katydidów. „Nie oznacza to, że pojawiły się one pierwotnie w wyniku procesów adaptacyjnych”. Ale teraz, gdy te siły są obecne, ewolucja może na nie wpływać. Chociaż nie możemy wyczuć tych ścieżek elektrycznych, mogą one prowadzić nas do zachowań zwierząt, których nigdy sobie nie wyobrażaliśmy.

Odkrycia elektrostatyczne

W 2012 roku Víctor Ortega-Jiménez natknął się na elektrostatykę podczas zabawy ze swoją 4-letnią córką. Używali zabawkowej różdżki, która gromadzi ładunki elektrostatyczne, aby lewitować lekkie przedmioty, takie jak balon. Kiedy postanowili przetestować ją na zewnątrz, Ortega-Jiménez dokonał zaskakującej obserwacji. 

Zdjęcie: Víctor Ortega-Jiménez

Badania przeprowadzone przez Víctora Ortegę-Jiméneza z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wykazały, że ujemnie naładowana pajęczyna przyciąga dodatnio naładowaną ofiarę owadów.

„Moja córka zbliżyła różdżkę do pajęczyny, a ona zareagowała bardzo szybko” - wspomina Ortega-Jiménez, która bada biomechanikę podróży zwierząt na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Różdżka przyciągnęła sieć. Natychmiast zaczął rysować powiązania ze swoimi badaniami nad dziwnymi sposobami interakcji owadów z ich środowiskiem.

Cała materia - różdżki, balony, pajęczyny, powietrze - dąży do równowagi między dodatnimi i ujemnymi cząsteczkami (protonami, elektronami i jonami). W niewyobrażalnie małej skali zabawka Ortegi-Jiméneza brzęczy z powodu braku równowagi: Silnik przyciąga ujemne ładunki do wewnątrz, zmuszając dodatnie ładunki do powierzchni różdżki. Jest to zjawisko statyczne. To tak, jakbyś pocierał balon o głowę. Tarcie przenosi elektrony z włosów na gumę, ładując ją ładunkiem elektrostatycznym, dzięki czemu po podniesieniu balonu pasma włosów unoszą się wraz z nim.

Ortega-Jiménez uznał, że w podobny sposób tarcie powodowane przez uderzenia skrzydeł owadów może przenosić ładunki ujemne z ciała do powietrza, pozostawiając owady z ładunkiem dodatnim, jednocześnie tworząc obszary ujemnego ładunku elektrostatycznego. Zdał sobie sprawę, że jeśli sieć przenosi ładunek ujemny, a owady dodatni, to pajęczyna może być nie tylko pasywną pułapką - może poruszać się w kierunku ofiary i przyciągać ją elektrostatycznie. Eksperymenty laboratoryjne wykazały dokładnie to. Pajęczyny odkształcały się natychmiast pod wpływem ładunków elektrostatycznych wytwarzanych przez muchy, mszyce, pszczoły miodne, a nawet krople wody. Pająki łatwiej łapały naładowane owady. Zobaczył, jak elektryczność statyczna zmienia fizykę interakcji między zwierzętami.

Magia zwierzęcej elektrostatyki polega na rozmiarze. Duże zwierzęta nie doświadczają w znaczący sposób statyki natury - jesteśmy zbyt duzi, by ją poczuć. „Jako ludzie żyjemy głównie w świecie grawitacji lub dynamiki płynów” - powiedział Ortega-Jiménez. Ale dla maleńkich istot grawitacja jest czymś drugorzędnym. Owady wyczuwają lepkość powietrza. Podczas gdy te same prawa fizyki panują nad najmniejszymi i największymi gatunkami na Ziemi, równowaga sił zmienia się wraz z rozmiarem. Siły międzycząsteczkowe uginają się pod stopami wodnych striderów na stawie, siły kapilarne wystrzeliwują wodę niemożliwie w górę przez cienkie korzenie rośliny, a siły elektrostatyczne mogą uwięzić wszelkie przeciwnie naładowane drobiny, które znajdą się na ich drodze.

Zdjęcia: Víctor Ortega-Jiménez

Pasożytniczy nicień wiruje w powietrzu, ciągnięty w kierunku swojego naładowanego elektrostatycznie owadziego żywiciela (u góry). Drobne cząsteczki sprawiają, że pole elektrostatyczne jest widoczne (na dole): Dzięki uprzejmości Víctor Ortega-Jiménez

„Naładowana drobina” to trafny fizyczny opis ziarna pyłku. Kilka lat po tym, jak Ortega-Jiménez zauważył pajęczyny chwytające owady, zespół Roberta odkrył, że pszczoły mogą zbierać ujemnie naładowane pyłki bez ocierania się o nie. Gdy pszczoła wypiła nektar z kwiatu, pyłek spadł bezpośrednio na jej ciało. „Nie był wymagany kontakt między pszczołą a kwiatem, aby pyłek mógł skoczyć” - powiedział Robert. „Jest to trajektoria, która reaguje na siły elektrostatyczne”.

Odkrycie to zasugerowało Robertowi, że elektrostatyka może umożliwić mutualizm roślina-zapylacz, dobrze znany przykład koewolucji. Ta dynamika - w której pszczoła żywi się nektarem kwiatowym i zbiera pyłek do karmienia larw, a także rozprzestrzenia pyłek z kwiatu na kwiat, umożliwiając rozmnażanie roślin - była już dobrze ugruntowana. Potencjalna rola ładunku elektrostatycznego była zupełnie nowa.

W ciągu ostatniej dekady Robert stworzył szereg prac, które ujawniają wiele sposobów, w jakie owady i pajęczaki wykorzystują i doświadczają ładunków elektrostatycznych. Kleszcze skaczą, pająki balonują, pszczoły wyczuwają ujemny ładunek kwiatu niedawno odwiedzonego przez inną dodatnio naładowaną pszczołę. Odkrył nawet, że naładowany związek między powietrzem a owadami działa w obie strony: Roje pszczół miodnych wyrzucają tak wiele ładunków ujemnych, że zmieniają gradient elektryczny wokół siebie. W oparciu o szacunki Roberta, ładunek atmosferyczny wynikający z roju szarańczy pustynnej rywalizuje z ładunkiem chmur i burz elektrycznych.

Zdjęcie: Belan/Quanta Magazine

Wnioski Roberta i Ortegi-Jiméneza były prowokacyjne. Dla nich jednak fizyka stawonogów sprawia, że siły elektrostatyczne są nieuniknione. Robaki są lekkie i kanciaste, mają wysoki stosunek powierzchni do objętości - „wszystkie te parametry, o których fizycy mogą powiedzieć, że wymagają większej gęstości ładunku” - powiedział Robert. „Okazuje się, że ich świat jest o wiele bardziej elektryczny niż nasz”.

Eksperymenty nie pozwoliły jednak stwierdzić, czy stworzenia kontrolują tę funkcję elektrostatyczną, ani w jaki sposób ewoluowała - jeśli w ogóle ewoluowała. Robert zastanawiał się: Czy wykorzystanie pól elektrostatycznych przez robaki jest przypadkowe czy adaptacyjne?

Statyka dla przetrwania

Sam England nosi swoją miłość do natury na rękawie. Ma pół tuzina zwierzęcych tatuaży, w tym konika polnego ozdobionego planetami naszego Układu Słonecznego - hołd dla jego wykształcenia w dziedzinie fizyki. Połączenie tych światów napędza jego ciekawość: W jaki sposób fizyka kształtuje zachowanie zwierząt? Po ukończeniu studiów podyplomowych zajął się ekologią sensoryczną i dołączył do laboratorium Roberta na Uniwersytecie w Bristolu, aby zbadać hipotezę, że owady aktywnie wykorzystują statykę do wpływania na swoje środowisko.

Zdjęcie: Rebbeca Ward

Aby zmierzyć ładunek statyczny przenoszony przez motyle i ćmy, Sam England przywiązał żyłkę do każdego lotnika i „przeprowadził” je przez metalową pętlę.

Ponieważ świat elektrostatyczny jest niewidoczny dla ludzkich badaczy, jego siły są trudne do zbadania, nawet przed dodaniem nieprzewidywalnych stworzeń do mieszanki. „Prowadzenie badań w biologii może być o wiele trudniejsze niż w fizyce, ponieważ musisz polegać na żywych zwierzętach, aby coś zrobić” - powiedział England. Chciał sprawdzić, czy Lepidoptera, rząd owadów latających obejmujący motyle i ćmy, wytwarzają wystarczającą ilość ładunku elektrostatycznego podczas lotu, aby zbierać pyłek z kwiatów, które odwiedzają w poszukiwaniu nektaru, tak jak robią to pszczoły. Najpierw jednak musiał opracować sposób pomiaru ładunku elektrostatycznego owadów.

„Spacer” to najlepsza analogia Anglii dla jego metody nakłaniania owadów do pozostania w powietrzu przez 30 sekund. „Musiałem zawiązać małe lassa wokół ich talii” - powiedział. Każdego motyla przywiązywał żyłką wędkarską i przeciągał przez metalową pętlę, aby zmierzyć ich ładunek.

Anglia badała 11 gatunków motyli i ćmy występujących w różnych klimatach, ekosystemach i stylach życia. Po tym, jak latały wokół klatek przez 30 sekund - wystarczająco dużo czasu, aby zgromadzić ładunek elektrostatyczny - poprowadził je przez pętlę. Wszystkie 11 gatunków naładowało się podczas lotu. Niektóre z nich osiągnęły ładunek elektrostatyczny około 5 kilowoltów na metr - wystarczająco dużo, aby wyrwać ujemnie naładowany pyłek z odległości 6 milimetrów.

Kiedy lepidoptera lądują bezpośrednio na kwiatach, pyłek naturalnie przykleja się do ich ciał. Jeśli ładunek elektrostatyczny powoduje, że pyłek przeskakuje przez szczeliny powietrzne, „zwiększy to ich wydajność jako zapylaczy” - powiedział England. „Zwiększa to prawdopodobieństwo zapylenia”.

Aby ocenić ewolucyjne znaczenie ładunków elektrostatycznych, szukał wzorców w tym, jak zachowanie zwierząt na wolności koreluje z ich ładunkiem elektrycznym. Znalazł kilka. Na przykład nocne ćmy mają tendencję do utrzymywania mniejszego ładunku niż inne gatunki. Dlaczego? Możliwe, spekuluje England, że silne ładunki sprawiają, że owady są bardziej widoczne dla drapieżników, które w nocy polegają na niewizualnych wskazówkach, takich jak ładunki elektrostatyczne. Minimalizacja ładunku może zatem pomóc ćmom przetrwać.

Zdjęcie: Getty Images

W nowym badaniu zbadano ładunek statyczny 11 motyli i ćm, w tym ćmy jastrzębiej (po lewej) i motyla pawia (po prawej). Ćma jastrzębia, gatunek nocny, nie przenosi praktycznie żadnych ładunków – prawdopodobnie w celu uniknięcia wykrycia przez drapieżniki w ciemności.

„To świetne nowe dane” - powiedział Ortega-Jiménez. Ostrzegł, że 11 gatunków objętych badaniem stanowi skromną reprezentację około 180 000 lepidopteranów na świecie. „Aby twierdzić o adaptacji elektrostatycznej, musi być ona szersza. Ale to dobra hipoteza”.

Aby owady mogły działać na podstawie informacji statycznych, muszą być w stanie wykrywać pola elektryczne. Mikroskopijne włoski na pszczołach i pająkach wydają się pomagać w wykrywaniu, zgodnie z pracami laboratorium Roberta. Anglia niedawno rozszerzyła tę nierozwiązaną naukę, badając, w jaki sposób maleńkie włoski gąsienic odchylają się pod wpływem ładunków elektrostatycznych, aby dowiedzieć się, w jaki sposób informacje elektryczne mogą pomóc gąsienicy przetrwać.

Kiedy zespół England wystawił gąsienice na działanie pól elektrycznych podobnych do tych generowanych przez latającą osę, gąsienice wykazywały zachowania obronne, takie jak zwijanie się, machanie lub gryzienie. „To w zasadzie sugeruje”, powiedział England, że „ofiara i drapieżnik mogą się nawzajem wykrywać za pomocą elektryczności statycznej”.

Dornhaus, ekolog behawioralny, poddał w wątpliwość, czy elektrorecepcja daje gąsienicy dużo czasu. Jednak wysoka stawka konfliktu drapieżnik-ofiara sugeruje, że każda przewaga może się liczyć. „Dla pojedynczej gąsienicy nawet niewielki wzrost szansy na przeżycie tego spotkania sprawia, że jest to ewolucyjnie istotne zachowanie” - powiedziała.

„Organizmy zawsze są oportunistami” - powiedział Ortega-Jiménez, który jest niezdecydowany, ale pod wrażeniem badań Englanda. Jest chętny na więcej danych - najlepiej od dzikich zwierząt - które badają naturalistyczne zachowania. „Kto wygrywa w tej grze? Kto bardziej wykorzystuje elektrostatykę?” - zapytał. „Jakie są rodzaje drapieżników i ofiar?”.

Zdjęcie: Sam. J. England

Gąsienica ćmy cynobrowej przyjmuje postawę obronną. Włosy czuciowe larwy mogą być w stanie wykryć pola statyczne generowane przez drapieżniki, takie jak osy.

Podczas gdy coraz więcej dowodów łączy statykę z przetrwaniem, pojawia się historia, że ewolucja może dostroić zdolność do wyczuwania lub przenoszenia ładunku, tak jak każdą inną cechę. „Fakt, że istnieje tak różnorodna gama gatunków o różnych ekologiach, sprawia, że jest to tak interesujące” - powiedziała Beth Harris, doktorantka w laboratorium Roberta. „To prawdziwa skrzynia skarbów do otwarcia”.

Dziedziczenie elektryczne

Wraz z kontynuacją prac w laboratorium Roberta, rośnie również podejrzenie, że wykrywanie i gromadzenie ładunków elektrostatycznych wśród owadów i pajęczaków nie jest przypadkowe. Gąsienice z lepszą elektrorecepcją lub nocne ćmy, które przenoszą mniejszy ładunek, mogą lepiej unikać drapieżników. Jeśli przetrwają, by rozmnażać się częściej, te geny i cechy - w tym te, które pomagają organizmom wyczuwać i wykorzystywać pola elektrostatyczne - mogą stać się silniejsze i bardziej powszechne w kolejnych pokoleniach.

Zaczyna być niemożliwe zignorowanie pomysłu, że elektrostatyka może mieć większy wpływ na królestwo zwierząt, niż nam się obecnie wydaje. Całe ekosystemy mogą zależeć od ukrytych pól elektrycznych. „Gdyby nagle odebrać elektrostatykę, nie sądzę, że doszłoby do masowego wymierania” - powiedział England. „Ale myślę, że bylibyśmy zaskoczeni tym, jak wiele zwierząt musiałoby się przystosować do jej nieużywania”.

„Okazuje się, że ich świat jest o wiele bardziej elektryczny niż nasz”.

Daniel Robert, Uniwersytet w Bristolu

Jeśli ładunki elektrostatyczne wspomagają zapylanie, mogą również zmienić ewolucję roślin. „Być może niektóre fundamentalne cechy kwiatów służą po prostu generowaniu prawidłowego pola elektrostatycznego” - powiedział Dornhaus - »a ponieważ ich nie widzimy, zignorowaliśmy cały ten wymiar życia kwiatu«. Pomysł nie jest aż tak naciągany: W 2021 roku zespół Roberta zaobserwował, że petunie uwalniają więcej związków, które przyciągają owady wokół pól elektrycznych przypominających pszczoły. Sugeruje to, że kwiaty czekają, aż zapylacz znajdzie się w pobliżu, aby aktywnie zwabić je bliżej, powiedział Robert.

„Ludzie są bardzo zorientowani wizualnie, więc mamy tendencję do podkreślania kwiatów, które są efektowne i duże” - powiedział Dornhaus. Wiemy już jednak, że kwiaty przekazują silne niewidzialne sygnały, takie jak zapachy lub wzory ultrafioletowe. „Być może w przypadku niektórych kwiatów pole elektryczne jest dla pszczół bardziej znaczącym sygnałem niż kolor”.

Jednak ewolucyjne szczegóły dotyczące ekologii elektrostatycznej pozostają w najlepszym razie niejasne. „To naprawdę niesamowite, jak mało wiemy” - powiedział Wainwright, ewolucyjny ekolog owadów. Nawet w ramach lepiej rozumianych systemów wizualnych i akustycznych, ekolodzy dopiero zaczynają łączyć ewolucyjne kropki.

Ponieważ elektrostatyka pozostawała pod radarem, England obawia się, że ludzie nieświadomie utrudniają zwierzętom korzystanie z tych sił. „Cały czas wypluwamy elektrostatykę do środowiska” - powiedział. Urządzenia elektroniczne, sprzęt AGD, linie energetyczne, nawozy, a nawet odzież są naładowane ładunkami elektrostatycznymi. „Jeśli [owady są] wrażliwe na uderzenia skrzydeł osy, prawdopodobnie są wrażliwe na linię energetyczną i może to zakłócać cały system”.

Od czasu ukończenia pracy doktorskiej, England bada obecnie wzrok zwierząt jako badacz podoktorancki w berlińskim Muzeum Historii Naturalnej. Ma nadzieję, że pewnego dnia poprowadzi własne laboratorium, aby zbadać te pytania dotyczące ochrony i odkryć nowe przypadki powietrznej elektrorecepcji lub zachowań elektrostatycznych, takich jak krycie.

„Marzeniem byłoby, aby elektrostatyka powietrzna była dobrze znana i uważana za regularną część repertuaru sensorycznego zwierząt” - powiedział. Realizacja tego marzenia będzie wymagała większej liczby badań, które będą poszukiwały ewolucyjnych tajemnic stworzeń znacznie mniejszych od nas, a tym samym poszerzą nasz świat.