В биологии тоже составляют рейтинги самых-самых: больших, маленьких, умных… Недавно в один из таких «чартов» попал муравей и поставил абсолютный рекорд, навсегда оставив позади всех представителей животного мира. Только вот пришлось ввести несколько необычную номинацию: «Скорость части тела».
Если верить новому исследованию энтомолога Брайана Фишера (Brian L. Fisher) из Калифорнийской академии наук (California Academia of Sciences), существа, способные совершать самые скоростные движения – вовсе не леопарды или ловящие добычу языком хамелеоны, это – латиноамериканские муравьи.
Но не любые муравьи. Исследователь рассказывает о виде Odontomachus bauri . У этого вида с необыкновенной скоростью движутся челюсти. Если перевести в привычные размерности, то она достигает 230 километров в час! А это, по данным учёного, превышает возможности любых других хищников.
Вряд ли кто спросит что-нибудь типа: «Для чего нужна такая скорость?». Ясно дело, для чего – чтоб скорее есть или хватать. Однако, оказывается, не только для этого, но и чтобы быстро перемещаться, спасаясь от угрозы.
Впервые с феноменальными способностями муравьёв Фишер столкнулся в 2004 году. Тогда он собрал семь видов этих насекомых с необычной особенностью – их челюсти работали с «мгновенной скоростью». Вместе с коллегами Фишер приступил к исследованию поведения насекомых этих, используя для видеозаписи их движений камеру, снимающую с частотой 50 тысяч кадров в секунду.
…не успеет (фото с сайта myrmecos.net).
Каково же было удивление Фишера, когда выяснилось, что длительность укуса такого муравья составляет всего 0,13 миллисекунды. Как это происходит – смотрите (файл MOV, 207 килобайт; только учтите, скорость воспроизведения замедлена в 1667 раз). Для сравнения – человек моргает в две тысячи (!) раз медленнее…
Устройство челюстей Odontomachus bauri можно сравнить с капканом. Перед тем, как атаковать или убегать, муравей, раскрывает их на 180 градусов и задерживает в таком положении благодаря паре мощных противодействующих мышц. В нужный момент одни мышцы расслабляются, и за счёт тех, что были в напряжении, челюсти мигом «защёлкиваются».
Такое скоростное изобретение природы оказалось многофункциональным устройством, позволяющим не только мгновенно хватать жертву или убивать противника. Эти «резкие движения» происходят благодаря сокращению мышц настолько мощных, что их энергии вполне хватает, чтобы отбросить (или подбросить) себя на приличное расстояние.
На карте красными точками показаны основные места расселения Odontomachus bauri (иллюстрация с сайта antweb.org).
Чтобы транспортироваться таким необычным способом, муравью нужно всего лишь резко оттолкнуться от поверхности и катапультироваться подальше от опасности. Как муравей полетит дальше – уже будет зависеть от его «намерений». Можно и в длину – до 39,6 сантиметра, и в высоту – до 8,3 сантиметра. В масштабах, привычных для нашего мира, этот было бы то же самое, как если бы человек прыгал на 13,5 метров вверх и на 40 метров вдаль!
Эти два направления представляют собой фактически две стратегии защиты муравьёв. В первом случае муравей резко смыкает челюсти, ударяя ими по угрожающему объекту, одновременно отталкиваясь от него (смотрите видеоролик , MOV, 2,13 мегабайта; замедлено в 100 раз).
Так муравей отталкивается от стеклянной пластинки. Если не обратить внимания на второй кадр, где муравей ударяет челюстями о пластинку, то может создаться впечатление, что муравей просто «трогается с места» и куда-то летит (фото S. N. Patek, J. E. Baio, B. L. Fisher, A. V. Suarez).
Чтобы подпрыгнуть вверх, Odontomachus bauri делает то же самое, только отталкиваясь от земли — и примерно на 0,27 секунды взмывает вверх (смотрите ролик ; MOV, 1,28 мегабайта; замедлено в 100 раз). Этого вполне хватит, чтобы спастись от какой-нибудь голодной ящерицы.
Помимо таких удивительных способностей, эти насекомые обладают и другими, более известными муравьиными навыками. Разумеется, групповое поведение у них тоже есть.
Конечно, легко догадаться, как опасны эти насекомые во время коллективной атаки.
Эксперимент проводится в узкой камере с прозрачной стенкой. О «прыгучести» Odontomachus bauri судите сами (фото S. N. Patek, J. E. Baio, B. L. Fisher, A. V. Suarez).
Однако свои способности муравьи часто применяют не только для нападения, но и просто, чтобы напугать хищника. Как ни странно, делается это с помощью всё тех же прыжков: если убегает, подпрыгивая, целая группа муравьёв, то это, наверняка, должно выглядеть шокирующе. Такой вариант поведения Фишер назвал «эффектом попкорна» (хотя «скоростные» муравьи, наверное, не так съедобны как
Муравей-мирмотерас
Adrian Smith / YouTube
Американские ученые изучили механизм работы челюстей муравьев из рода мирмотерасов. Для этого они записали на видео представителей двух колоний мирмотерасов во время захвата еды с использованием мандибул и изучили их внутреннее и внешнее строение. Ученые выяснили, что мирмотерасы могут закрывать челюсти за 0,62 миллисекунды, а механизм усиления силы удара является уникальным среди ему подобных. Статья опубликована в журнале Journal of Experimental Biology .
Скорость - один из фундаментальных аспектов выживания в животном мире, помогающий как добывать пищу, так и спасаться от неприятеля. Скорость чаще всего ограничена мышечным потенциалом конечностей, однако, у некоторых животных в процессе эволюции развились специальные механизмы увеличения силы. Например, механизмы усиления позволяют ракам-богомолам иметь очень мощные лапы, которые помогают им быстро перемещаться и эффективно атаковать противника. Некоторые виды муравьев используют такие механизмы для повышения силы внешних челюстей-мандибул (жвал), позволяя им захватывать добычу или скрываться от противника. Среди четырех известных родов муравьев с таким механизмом самым малоизученным является род мирмотерасов (лат. Myrmoteras ), который обитает в Юго-восточной Азии.
Авторы новой работы изучили скорость движения и мышечный механизм, отвечающий за усиление мандибул муравьев-мирмотерасов. Движения мандибул при захвате были сняты при помощи высокоскоростной видеокамеры, снимающей со скоростью 50 тысяч кадров в секунду, а внутреннее и внешнее строение механизма усиления жвал было изучено при помощи компьютерной микротомографии (x-ray microtomography) и стереомикроскопа post mortem .
Анализ скорости движения мандибул показал, что в спокойном состоянии мирмотерасы держат челюсти открытыми на 280 градусов, а при захвате добычи закрывают их, в среднем, за 0,62 миллисекунды, а отношение силы к массе их мандибул равно 21 кВт/кг. Эти показатели почти в два раза меньше, чем у другого рода муравьев с «усиленными» мандибулами (одонтомахусов), однако, по мнению ученых, такой силы и скорости мирмотерасам достаточно для того, чтобы эффективно охотиться, а сама скорость и сила объясняется тем, что их мандибулы длиннее и тоньше, чем у одонтомахусов.
Анализ внутренней и внешней морфологии мандибул в закрытом и открытом состоянии помог выявить строение механизма усиления, а также его работу. Так, мандибула муравья прикреплена к мышечной структуре головы при помощи аподемы - хитинового покрова. Групп, отвечающих за движения мандибул, две: открывающая и закрывающая. Закрывающая группа мышц занимает четверть всего объема головы муравья, и подразделяется на две части: «быструю» закрывающую мышцу, состоящую из часто сокращающихся мышечных тканей, и «медленную» - из мышечных тканей, сокращающихся медленнее.
Строение головы муравья-мирмотераса. Красным цветом обозначена «медленная» закрывающая мышца, синим – «быстрая», белым – открывающая мышца, золотым – аподема. Фиолетовым обозначена мандибула
Larabee et al. / Journal of Experimental Biology 2017
Ученые выяснили, что за механизм усиления отвечает пружинящий механизм, находящийся в задней части головы муравья. Медленно сокращающиеся мышечные ткани «заряжают» пружинящий механизм, а часто сокращающиеся - запускают его. Такой сложный механизм усиления мандибул является уникальным: другие представители подобных видов муравьев, в основном, имеют непружинящие механизмы, состоящие только из двух отдельных мускулов - закрывающего и открывающего.
О том, как другие муравьи, одонтомахусы, используют мандибулы для того, чтобы спасаться от врагов, вы можете прочитать в нашей .
Елизавета Ивтушок
Если в отношениях "хищник-жертва" главным эволюционным преимуществом животного является скорость, то у насекомых всё немного иначе. Так, немногие потенциальные жертвы имеют шанс освободиться, если их схватил муравей. Всё дело в жвалах, или мандибулах - так называются мощные челюсти этих насекомых.
Муравьи Myrmoteras развили свой собственный механизм работы мандибул.
Фото Steve Shattuck.
Исследователи давно наблюдают за механизмом работы муравьиных челюстей (и даже делают удивительные открытия, связанные с ними). Ранее было установлено, что различные группы муравьёв с челюстями-"ловушками" независимо друг от друга развили сложные системы захвата, имеющие так называемые защёлки и пружины.
Но, как оказалось, учёным известно ещё далеко не всё. Команда из Национального музея естествознания при Смитсоновском университете впервые подробно изучила мандибулы муравьёв-формицинов из рода Myrmoteras . Эти насекомые встречаются довольно редко в дикой природе, а в лабораторных условиях они практически не способны выжить.
Тем не менее исследователи смогли некоторое время понаблюдать за несколькими колониями этих муравьёв, и в результате сделали удивительное открытие: мандибулы Myrmoteras работают совсем не так, как у всех остальных муравьёв.
"Это очень интересный пример конвергентной эволюции, - рассказывает глава исследовательской группы Фредрик Лараби (Fredrick Larabee). - Изученная группа развила свой собственный механизм совершенно независимо от своих родственников".
Муравьи Myrmoteras обитают в тропиках Юго-Восточной Азии и питаются в основном ногохвостками - крошечными членистоногими, которые в случае опасности могут очень быстро скрыться, прыгая, как блохи. Во время охоты муравьи держат свои челюсти открытыми (угол составляет примерно 280 градусов), что помогает сохранять упругую энергию. Разжимание и сжатие челюстей занимает буквально доли секунды.
Чтобы понять, сколько конкретно длятся эти самые "доли секунды", биологи сначала изучили насекомых под микроскопом, а затем совместили несколько методов наблюдений - микрокомпьютерную томографию, высокоскоростную камеру, захватывающую до 50 тысяч кадров в секунду, а также систему трёхмерной визуализации, которая использует рентгеновские снимки для отображения внутренних структур объекта. В итоге получилась модель движения мандибул, представленная ниже.
Согласно расчётам, одно движение мандибулы муравья занимает всего около половины миллисекунды. Это в 700 раз быстрее, чем мы моргаем. Максимальная скорость движения челюстей Myrmoteras составила 80 километров в час. Это не тянет на рекорд среди муравьёв: у некоторых особей скорость выше в два раза.
Однако, по мнению исследователей, формицинам не нужна сверхскорость, чтобы поймать себе обед. "Им просто нужно быть быстрее своих жертв; для ногохвосток они достаточно быстрые", — поясняет Лараби.
По его словам, самым интересным оказалась не скорость движения мандибул, а сам механизм. Изучая результаты сканирования, исследователи обнаружили одну особенность: строение сустава нижней челюсти муравьёв Myrmoteras существенно отличается от других. В задней части головы у них есть небольшая "лопасть", которая перед щелчком-захватом сжимается, действуя как пружина с потенциальной энергией. Затем "спусковой" мускул освобождает челюсть и вместе с этим высвобождается вся энергия.
Синим, красным и белым цветом выделены мышцы, которые управляют нижней челюстью (она отмечена фиолетовым).
"Любопытно, что расположение мышц и работа челюстей полностью отличны от других муравьёв-захватчиков, которые были изучены. Похоже, перед нами совершенно уникальная эволюция этой системы", — заключает Лараби.
Его команда планирует продолжить изучение этих механизмов. В частности, авторов интересует, как различные системы коррелируют со скоростью и эффективностью захвата жертв.
Более подробное описание необычных муравьёв и их мандибул опубликовано в издании Journal of Experimental Biology.
Обитатели муравейника делятся на 4 группы:
- Самки (матки) — основательницы любого муравьиного дома, их функция откладывать яйца. В колонии присутствует только одна самка-царица, которую муравьи тщательно оберегают, кормят и лелеют.
- Самцы. Погибают через некоторое время после спаривания (основная их функция).
- Рабочие муравьи (фуражиры). В их обязанности входит забота о всех особях семьи, доставка пропитания и защита муравейника от посягательств врагов.
- Личинки. Будущее потомство. Личинки делятся на 2 вида: способные питаться самостоятельно и нуждающиеся во вскармливании. Последний вид преобладает, взрослые муравьи кормят таких личинок полупереваренной пищей из своего собственного пищевода.
Всё это многочисленное семейство нуждается в огромных количествах пищи. Чем же питаются муравьи?
Ротовой аппарат
Ротовой аппарат у этих насекомых «грызущий».
В составе рта находятся:
- губа верхняя (лабрум) ;
- губя нижняя (лабиум) ;
- жвалы (челюсти) .
В зависимости от вида верхние челюсти (мандибулы) и нижние (максиллы) могут быть: большими и маленькими, тупыми и очень острыми, с зубцами и просто гладкими, смыкающимися и перекрывающимися. Жвалы имеют возможность самостоятельно работать и при закрытом рте.
Нижняя губа имеет язычок, являющийся органом вкуса, и используемый муравьями ещё и для чистки своего тела.
Пища
Муравьи — всеядные насекомые. Рацион их зависит от вида и места обитания.
В тёплое время года поставка продовольствия осуществляется рабочими муравьями ежедневно. В холода всё происходит иначе: многие виды семейства муравьиные не впадают в спячку, в связи с чем осенью забивают своё жилище продуктами до отказа, это позволяет им спокойно пережить холодное время года.
СПРАВКА! Муравьи любят тащить в свой дом абсолютно всё, что попадается им на пути. И лишь потом пища распределяется между обитателями муравейника. Каждому — по вкусу.
Распределение идёт следующим образом:
- личинки. Питаются белковой пищей: останками мелких насекомых, яйцами различных вредителей. Если речь идёт о домашних (фараоновых) муравьях, то личинкам часто перепадают продукты со стола хозяев дома (мясо, яйца, творог, сыр), порой добычей муравьёв становятся домашние тараканы-прусаки, которых также с удовольствием ест подрастающее поколение;
- рабочие муравьи. Для поддержания сил им нужна углеводная пища, которая питательна, богата энергией и хорошо усваивается. Это: мякоть плодов и ягод, семена, орехи, корни и соки растений. Поселившись в домах, они с удовольствием поедают сахар, мёд. Излюбленным лакомством муравьёв является медвяная роса (сок растений, выделяемый ими при резких перепадах температур) и падь (сахарное молоко тли);
- матка. Основа её рациона — белок. У многих видов пищу, предназначенную для матки, пережёвывают рабочие муравьи и поставляют её своей царице в удобном для употребления виде.
СПРАВКА! У рыжих лесных муравьев падь и роса составляют почти 60% от всего рациона.
Они трепетно охраняют тлю (дойную корову), разводят её на молодых побегах деревьев, а на зиму забирают с собой в муравейники.
Питаются муравьи часто , несколько раз в день.
Еда муравьев в зависимости от их вида
Существуют виды муравьёв-гурманов, которые предпочитают 1-2 постоянных продукта разнообразному рациону:
- муравей-листорез . Насекомые этого вида собирают в своё жилище листья деревьев, тщательно пережёвывают их в кашу и складывают в специальные камеры. В тёплой листовой массе идёт быстрое развитие грибов, которыми и питаются листорезы. Сами листовые пластины слишком грубые для их нежных желудков и не годятся для употребления;
- центромирмексы. Питаются исключительно термитами;
- дракулы. Эти муравьи сосут сок собственных личинок, причём последние от этого не сильно страдают. Взрослые насекомые занимаются ловлей крупных насекомых: пауков, сороконожек, но сами их не едят, а кормят подрастающее поколение;
- муравьи-жнецы. Питаются семенами высохших растений. Пища эта не очень удобоваримая, поэтому насекомые перемалывают её своими крепкими челюстями в кашицу;
- муравьи-древоточцы . Источником углевода для этого вида является древесная смола, которая выделяется в местах повреждений коры;
- понерины . Это целое подсемейство. Каждый из видов которого питается конкретным насекомым-вредителем. Их по праву называют санитарами леса.
Фото
Полезное видео
В данном видео вы подробнее ознакомитесь с питанием насекомых: