Варвара Веденина

Рис. 1. Фотографии трех современных видов зебр: бурчеллова зебра (Equus burchelli), пустынная зебра (Equus grevyi) и горная зебра (Equus zebra). Горизонтальные черные и белые отрезки слева обозначают диапазон ширины белых и черных полос на разных частях тела зебр. Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology

Ученые давно спорят о функции черных и белых полос на шкуре зебр. Венгерские физики и биологи показали, что черно-белый рисунок зебр не привлекателен для слепней — кровососущих насекомых, отравляющих жизнь многим копытным. Черные и белые полосы по-разному отражают поляризованный свет, и оказывается, это является ключевым моментом для насекомых, которые воспринимают поляризацию света. Это исследование является первой серьезной работой, в которой экспериментально продемонстрировано преимущество полосатой окраски зебр.

Зебры относятся к роду Equus — тому же, что и домашняя лошадь. Выделяют три вида зебр — бурчеллову, пустынную и горную (рис. 1). Примечательно, что все эти три вида не являются между собой более близкими родственниками, чем по отношению к другим лошадиным, например, куланам или ослам. В то же время, у всех зебр детеныши, находящиеся в утробе матери, имеют черную окраску, и только на самых поздних стадиях развития покрываются белыми полосками. Начиная с XIX века ученые спорят о функции черных и белых полос на шкуре зебр. За это время было высказано много разных предположений. Некоторые из которых стоит перечислить.

1) Полосы могут создавать зрительные иллюзии, увеличивающие размер тела животного, что может быть полезно при защите от хищника.

2) Полосы могут использоваться как камуфляж. Например, такой рисунок может помогать зебрам сливаться с фоном в высокой траве саванн. В условиях пониженной освещенности полосы плохо различимы даже на близком расстоянии.

3) Полосы у передвигающихся зебр могут ослеплять хищников и затруднять им охоту.

4) Полосы могут использоваться при внутривидовой коммуникации. Поскольку каждая зебра имеет индивидуальный рисунок полос, зебры могут использовать этот рисунок для распознавания матери детенышами или доминантного самца самкой.

5) С помощью регулярного рисунка зебры могут оценивать приспособленность особей. Отсутствие регулярности в рисунке может служить индикатором неблагополучной, больной или раненой особи.

6) Полосы могут помогать при терморегуляции. Поскольку черные и белые полосы по-разному нагреваются на солнце, совместно они могут вызывать конвекцию воздуха и таким образом способствовать охлаждению животного.

7) Защита от мухи цеце. Известно, что мухи цеце стараются не садиться на полосатые поверхности, а предпочитают концентрироваться на однотонных объектах.

Примечательно, что большинство из этих потенциальных функций черно-белых полос у зебр не нашло экспериментальных подтверждений. На сегодняшний день только последняя гипотеза убедительно доказана — действительно, мухи цеце не любят садиться на зебр, от чего зебры, несомненно, выигрывают.

В последнем номере Journal of Experimental Biology венгерские физики и биологи из разных институтов, в частности, из Университета имени Лоранда Этвёша, предложили новую функцию полос у зебр. Они предположили, что слепни, мухи из семейства Tabanidae, меньше привлекаются черно-белыми полосами зебр, чем однотонным рисунком других лошадей. Cлепни — одни из самых докучливых насекомых, постоянно отравляющих жизнь копытным. На сегодняшний день в данном семействе описано более 4154 видов. Эти насекомые неизменно присутствуют около источников воды, куда приходят на водопой многие копытные. Показано, что слепни привлекаются горизонтально поляризованным светом, который отражается от поверхности воды. Здесь надо сделать небольшое отступление и напомнить читателю, что означает поляризованный свет.

Видимый свет представляет собой электромагнитные волны; длины волн лежат в диапазоне от 380 (фиолетовый) до 740 (красный) нм. Электромагнитные волны являются поперечными, то есть, их колебания перпендикулярны направлению распространения волны. Свет, испускаемый многими источниками (солнцем, обычной электрической лампой) не поляризован, то есть, в нем присутствуют колебания самых разных направлений. Если же пропустить такой свет через поляроид, пластинку, сделанную из специального материала и пропускающую волну с определенным направлением колебаний, то мы получим поляризованный свет. Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Свет, отражающийся от воды, поляризован горизонтально, то есть колебания происходят вправо-влево под прямым углом к линии распространения света.

В последние годы группа венгерских физиков и биологов из будапештских университетов (Университета имени Лоранда Этвёша, Szent Istvan University) исследует, как различные копытные привлекают кровососущих насекомых, в первую очередь слепней. Известно, что все насекомые воспринимают поляризацию света благодаря особенностям строения своих фасеточных глаз и активно используют это свойство при ориентации. Венгерские ученые показали, что слепни плохо садятся на белых лошадей, зато коричневые и черные лошади их очень привлекают. Белые лошади отражают в основном неполяризованный свет, тогда как темные лошади — в основном поляризованный (Horváth et al. An unexpected advantage of whiteness in horses: the most horsefly-proof horse has a depolarizing white coat. Proceedings of the Royal Society of London. Series&nbps;B. 2010). В своем новом исследовании, опубликованном в мартовском номере Journal of Experimental Biology, авторы попытались решить новую задачу: как зебры привлекают слепней? Если считать, что зебра представляет собой промежуточный вариант между белой и черной лошадьми, то привлекательность зебр должна быть также промежуточной.

Венгерские ученые поставили шесть экспериментов по исследованию привлекательности для слепней различных полосатых поверхностей и муляжей зебр, для которых варьировали степень и угол поляризации (угол между направлением колебаний и вертикальной осью). Перед тем, как проводить эксперименты со слепнями, авторы провели измерения поляризационных характеристик муляжей зебры при разном освещении (рис. 2). Муляж, покрытый шкурой бурчелловой зебры, имел очень сходные характеристики с муляжом, выкрашенным черными полосами, который использовался в экспериментах. В зависимости от освещения, положения зебры и положения солнца, черные полосы на спине зебры отражали высокополяризованный свет.

Рис. 2. Верхний ряд — цветные изображения муляжей зебры. Средний ряд — степень линейной поляризации d этих муляжей. Нижний ряд — угол поляризации α (по часовой стрелке от вертикальной оси), создаваемый муляжами. Муляж, показанный на A и B, использовался в эксперименте 4. Измерения поляризационных характеристик проводили в синей (450 нм) части спектра, то есть в той части, в которой насекомые воспринимают поляризованный свет. Оптическая ось поляриметра имела величину –20° от горизонтальной оси для A–B и 0° для C–G. Муляжи зебр были освещены солнцем (A–E) или оставались в тени (F, G). Поляриметр был направлен на солнце (C, E), или солнце было слева (A, D), или сзади поляриметра (B). Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology

В первых двух экспериментах ученые использовали пластиковые подносы размером 50 на 50 см, заполненные растительным маслом для привлечения слепней. В первом эксперименте черные подносы были раскрашены двумя и шестью ортогональными белыми полосами, причем ширина полос была одинаковой; во втором эксперименте ширину полос варьировали таким образом, что один поднос был наполовину белый и наполовину черный, второй имел три черных и три белых полосы, а третий — шесть белых и шесть черных полос (рис. 3А). Эти подносы выкладывали на лошадиных фермах и держали под открытым воздухом в течение нескольких недель. После попадания в растительное масло слепни уже не выбирались из своих ловушек. По окончании экспериментов считали количество слепней, оказавшихся в разных подносах.

Какие же результаты дали два первых эксперимента? Самое большое число слепней было обнаружено в подносах с минимальным количеством белых полос. И наоборот, меньше всего слепней было в подносах с максимальным числом белых полос. Таким образом, авторы заключили, что черные поверхности, отражающие горизонтально поляризованный свет, менее привлекательны для слепней, если число белых полос, которые отражают неполяризованный свет, возрастает.

Однако из этих экспериментов было неясно, на какую поверхность изначально предпочитают садиться слепни. Для этого авторы провели третий эксперимент, в котором использовали раскрашенные пластиковые щиты, покрытые особым, прозрачным и приманивающим слепней, клеем. Один щит был раскрашен наполовину белым и наполовину черным, второй щит — двумя белыми полосами, третий — четырьмя белыми полосами (рис. 3А). Слепни приземлялись на щит и сразу же приклеивались к липкой поверхности. В результате опять было показано, что слепни предпочитают щит, выкрашенный наполовину белым, тогда как меньше всего прилетало на щит с четырьмя белыми полосами (рис. 3В). Кроме того, оказалось, что слепни садились на черную поверхность в 2,8, 3,5 и 4,7 раз чаще, чем на белую поверхность, в случае щитов с 4, 2 и 1 белыми полосами, соответственно.

Далее авторы провели четвертый эксперимент с муляжами лошадей. Все муляжи были одинаковые по размеру и форме, но выкрашены по-разному: черная, коричневая, белая и полосатая (рис. 3А). Читатель не удивится, если узнает, что больше всего слепней летело на черную лошадь. Второй по привлекательности была коричневая лошадь. На белую лошадь летело очень мало слепней. Но самое удивительное было то, что на полосатую лошадь прилетело еще меньше слепней, чем на белую (рис. 3В).

В пятом эксперименте авторы решили исследовать, имеет ли значение для слепней ширина и направление полос, нанесенных на вертикальные поверхности. (Напомним, что в экспериментах 1–3 тестировали только горизонтальные поверхности.) Каждая вертикально ориентированная поверхность щита была разбита на четыре квадрата, на которых были прочерчены по-разному ориентированные белые полосы (рис. 3А). Щиты были вымазаны клеем, как и в третьем эксперименте. В результате слепни наиболее активно летели на щиты с наименьшим числом полос, тогда как существенно меньше слепней оказалось на щитах с большим числом полос (рис. 3В). Опять, подобно результатам третьего эксперимента, черные полосы привлекали достоверно больше насекомых, чем белые полосы, причем независимо от ориентации полос. В пятом эксперименте опять получилось, что чем уже полосы, тем меньше разница в привлекательности черных полос. Возможно, это связано с тем, что точность приземления не очень высока.

Рис. 3. A — стимулы, использовавшиеся в шести экспериментах. B — общее число N слепней, прилетевших на приманки, как функция от ширины черных полос (см) на подносах и щитах. Четыре горизонтальные штрих-линии показывают число слепней, прилетевших на муляжи лошадей (четвертый эксперимент). Вертикальная серая полоса обозначает диапазон ширины полос зебр. Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology

Наконец, авторы поставили шестой эксперимент, в котором решили проверить только влияние направления поляризации. Дело в том, что во всех предыдущих экспериментах меняли не только поляризацию, но и яркость. В шестом эксперименте щиты состояли из параллельных полосок одинакового серого цвета, но которые были линейно поляризованы. На двух щитах полосы с ортогональным направлением поляризации чередовались друг с другом (в одном случае — 9 полос, в другом – 17), тогда как на третьем щите все полосы имели одно направление поляризации. Щит с одинаково поляризованными полосами выглядел как абсолютно гомогенная поверхность, тогда как ортогонально поляризованные полосы делали щит полосатым (рис. 4).

На эти щиты, состоящие из линейно поляризованных полос, слепни летели по-разному. Поскольку щиты были опять вымазаны клеем, можно было оценить количество прилетевших насекомых. Больше всего насекомых оказалось на щите с одинаково поляризованными полосами, меньше — на щите с 9, и еще меньше — с 17 ортогонально поляризованными полосами (рис. 3В).

Рис. 4. Верхний ряд — цветные изображения щитов, которые использовались в шестом эксперименте. Средний ряд — степень линейной поляризации d этих щитов. Нижний ряд — угол поляризации α (по часовой стрелке от вертикальной оси), создаваемый этими щитами. На щите Z17_ (A) все полосы имели одно направление поляризации, на щите Z17+ (В) 17 полос с ортогональным направлением поляризации чередовались друг с другом, на щите Z9+ (С) 9 полос с ортогональным направлением поляризации чередовались друг с другом. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Journal of Experimental Biology

Итак, венгерские ученые впервые убедительно показали, что поверхности с чередующимися белыми и черными полосами избегаются слепнями по той причине, что по-разному отражают поляризованный свет. Меньше всего привлекают слепней полосатые поверхности с шириной полос, близкой к таковой у современных видов зебр. Из рисунка 1 видно, что самые узкие полосы расположены на голове и на ногах у всех трех видов зебр, то есть на тех частях тела, которые наиболее важны для животных. На голове расположены жизненно важные органы (глаза, уши, рот, ноздри), а ноги нужны, чтобы убегать от хищников. Очень вероятно, что это отражает эволюционную адаптацию рисунка зебр: слепни реже всего должны садиться именно на эти части тела.

Это исследование является первой серьезной работой, в которой экспериментально показано преимущество черно-белого рисунка зебр. Конечно, это не означает, что слепни совсем не садятся на этих животных. В конце концов, не только окраска лошадей имеет значение; слепни летят на запах лошадей и на углекислый газ, выдыхаемый животными. Критики могут также придраться к тому, что эксперименты проводились на венгерских, а не на африканских фермах — ведь в Африке распространены другие виды слепней. Тем не менее, способность различать поляризованный свет свойственна всем насекомым. Не исключено, что муха цеце не садится на зебр именно по той же самой причине, что и слепни на венгерских фермах.

Почему в процессе эволюции все лошади не выработали себе полосатой окраски, а остались темными и очень привлекательными для слепней? Возможно, темная окраска дает другие преимущества; например, во многих биотопах она может иметь лучшие маскировочные характеристики, чем полосатая окраска. С другой стороны, некоторые лошади имеют полосы на отдельных частях тела: сомалийский осел — на ногах, а истребленная в XIX веке квагга — на голове и шее. То есть, следы полосатости можно наблюдать и у других лошадей.

Источник: Ádám Egri, Miklós Blahó, György Kriska, Róbert Farkas, Mónika Gyurkovszky, Susanne Åkesson, Gábor Horváth. Polarotactic tabanids find striped patterns with brightness and/or polarization modulation least attractive: an advantage of zebra stripes // Journal of Experimental Biology. 2012. Vol. 215. Pp. 736–745.

http://elementy.ru/news/431775