Уявіть на мить, що ви медоносна бджола. Багато в чому ваш світ маленький. Ваші чотири витончені крильця, кожне довжиною менше сантиметра, переносять ваше півграмове тіло крізь загрозливі ландшафти, повні гігантських тварин і рослин. З іншого боку, ваш світ великий, навіть грандіозний. Ваші п’ять очей бачать кольори та візерунки, які не можуть люди, а ваші мультисенсорні антени сприймають запахи від далеких квітів.

Протягом багатьох років біологи задавалися питанням, чи є у бджіл ще одне чудове чуття, якого нам бракує. Статична електрика, яку вони накопичують під час польоту — подібно до заряду, який утворюється, коли ви човгаєте по килиму в товстих шкарпетках — може бути достатньо сильною, щоб вони відчували навколишні об’єкти в повітрі та впливали на них. Відомо, що водні тварини, такі як вугри, акули та дельфіни, відчувають електрику у воді, яка є чудовим провідником заряду. Навпаки, повітря є поганим провідником. Але це може передавати достатньо, щоб вплинути на живі істоти та їхню еволюцію.

У 2013 році Деніел Роберт , сенсорний еколог з Брістольського університету в Англії, зробив старт у цій дисципліні, коли його лабораторія виявила, що бджоли можуть виявляти та розрізняти електричні поля, які випромінюють квіти. Відтоді було проведено більше експериментів, які підтвердили, що павуки, кліщі та інші жуки можуть виконувати подібні трюки.

Ця статика тварин впливає на екосистеми. Паразити, такі як кліщі та аскариди , користуються електричними полями, створюваними більшими тваринами-хазяїнами. У поведінці, відомій як повітряна куля, павуки літають, простягаючи шовкову нитку, щоб уловлювати заряди в небі, іноді подорожуючи сотні кілометрів з вітром. А цього року дослідження в лабораторії Роберта показали, як статика приваблює пилок до метеликів і метеликів і може допомогти гусеницям уникати хижаків .

Це нове дослідження виходить за рамки документування екологічних ефектів статики: воно також має на меті з’ясувати, чи й як еволюція налагодила це електричне відчуття. Електростатика може виявитися еволюційною силою у виживанні маленьких істот, яка допомагає їм знаходити їжу, мігрувати та заражати інших живих істот.

Ця область, що розвивається, відома як повітряна електрорецепція, відкриває новий вимір світу природи. «Я вважаю це абсолютно захоплюючим», — сказала Анна Дорнхаус , поведінковий еколог з Університету Арізони, яка не брала участі в роботі. «Вся ця галузь, що вивчає електростатичну взаємодію між живими тваринами, має потенціал відкрити речі про те, як влаштований світ, про те, що нам не спадало на думку».

«З усіх цих блискучих експериментів ми знаємо, що електричні поля справді відіграють функціональну роль в екології цих тварин», — сказав Беніто Вейнрайт , еволюційний еколог з Університету Сент-Ендрюс, який вивчав сенсорні системи метеликів і котидид. «Це не означає, що вони спочатку з’явилися на сцені через адаптивні процеси». Але тепер, коли ці сили присутні, еволюція може діяти на них. Хоча ми не можемо відчути ці електричні сліди, вони можуть скерувати нас до поведінки тварин, про яку ми навіть не уявляли.

Електростатичні відкриття

У 2012 році Віктор Ортега-Хіменес зіткнувся з електростатикою, граючись зі своєю 4-річною дочкою. Вони використовували іграшкову паличку, яка збирає статичний заряд, щоб піднімати легкі об’єкти, наприклад повітряну кулю. Коли вони вирішили випробувати це на вулиці, він зробив вражаюче спостереження.

«Моя дочка піднесла чарівну паличку до павутини, і вона дуже швидко відреагувала», — згадує Ортега-Хіменес, який вивчає біомеханіку подорожей тварин в Каліфорнійському університеті Берклі. Паличка притягнула павутину. Він одразу ж почав шукати зв’язки зі своїми дослідженнями про дивні способи взаємодії комах із навколишнім середовищем.

Уся матерія — палички, повітряні кульки, павутина, повітря — прагне до рівноваги між своїми позитивними та негативними частинками (протонами, електронами та іонами). У неймовірно малому масштабі іграшка Ортеги-Хіменеза гуде з дисбалансом: двигун втягує негативні заряди всередину, змушуючи позитивні заряди на поверхню палички. Це статично. Це як коли ви трете повітряну кульку об голову. Тертя перекидає електрони з вашого волосся на гуму, завантажуючи її статичним зарядом, тож коли ви піднімаєте повітряну кульку, пасма волосся плавають разом із нею.

Подібним чином, вважав Ортега-Хіменес, тертя від ударів по крилах комах може перекидати негативні заряди від тіла до повітря, залишаючи комахам позитивний заряд, водночас створюючи області негативної статики. Він зрозумів, що якщо павутина несе негативний заряд і комах викликає позитивний, то павутина може бути не просто пасивною пасткою — вона може рухатися назустріч і притягувати свою жертву електростатично. Його лабораторні експерименти показали саме це. Павутина миттєво деформувалася під впливом статики від мух, попелиць, медоносних бджіл і навіть крапель води. Павуки легше ловили заряджених комах. Він бачив, як статична електрика змінила фізику взаємодії тварин.

Магія електростатики тварин полягає в розмірі. Великі тварини не мають значущого досвіду статики природи — ми занадто великі, щоб це відчувати. «Як люди, ми живемо в основному в гравітаційному світі або світі рідинної динаміки», — сказав Ортега-Хіменес. Але для крихітних істот гравітація — це запізніла думка. Комахи відчувають в'язкість повітря. Хоча ті самі закони фізики панують над найменшими та найбільшими видами Землі, баланс сил змінюється разом із розміром. Міжмолекулярні сили згинаються під ногами водяних мандрівників у ставку, капілярні сили викидають воду неймовірно вгору через тонке коріння рослини, а електростатичні сили можуть захопити будь-які протилежно заряджені цятки, які лежать на їхньому шляху.

«Заряджена цятка» — це вдалий фізичний опис пилкового зерна. Через кілька років після того, як Ортега-Хіменес помітив павутинку, яка хапає жуків, команда Роберта виявила, що бджоли можуть збирати негативно заряджений пилок, не торкаючись її. Коли бджола пила нектар з квітки, пилок кидався прямо на її тіло. «Для того, щоб пилок стрибнув, між бджолою та квіткою не потрібен був контакт», — сказав Роберт. «Це траєкторія, яка реагує на електростатичні сили».

Відкриття підказало Роберту, що електростатика може уможливити мутуалізм рослина-запилювач, добре відомий приклад коеволюції. Ця динаміка, за якої бджола харчується нектаром квітки та збирає пилок для годування личинок, а також поширює пилок від квітки до квітки, уможливлюючи розмноження рослин, уже була добре встановлена. Потенційна роль статичного заряду була абсолютно новою.

За останнє десятиліття Роберт створив низку робіт, які розкривають багато способів, як комахи та павукоподібні використовують і відчувають статику. Кліщі стрибають, павуки злітають, бджоли відчувають негативний заряд квітки, яку нещодавно відвідала інша позитивно заряджена бджола. Він навіть виявив, що зарядовий зв’язок між повітрям і комахами є двостороннім: рої медоносних бджіл викидають стільки негативних зарядів, що змінюють електричний градієнт навколо себе. Згідно з підрахунками Роберта, атмосферний заряд, який є результатом зграї пустельної сарани, не поступається заряду хмар і електричних бур.

Висновки Роберта та Ортеги-Хіменеса були провокаційними. Але для них фізика членистоногих робить електростатичні сили неминучими. Жуки легкі та кутасті з високим відношенням площі поверхні до об’єму — «усі ці параметри, які можуть сказати вам фізики, вимагають вищої щільності заряду», — сказав Роберт. «Виявляється, їхній світ набагато більш електричний, ніж наш».

Тим не менш, експерименти не змогли зробити висновок, що істоти контролюють цю електростатичну функцію, або як вона еволюціонувала — якщо вона взагалі еволюціонувала. Роберт задавався питанням: використання статичних полів помилками є випадковим чи адаптивним?

Статика для виживання

Сем Англія носить свою любов до природи на своєму рукаві. У нього півдюжини татуювань тварин, у тому числі цикад, прикрашений планетами нашої Сонячної системи, — данина його досвіду фізики. Поєднання цих світів стимулює його цікавість: як фізика формує поведінку тварин? Він звернувся до сенсорної екології в аспірантурі та приєднався до лабораторії Роберта в Брістольському університеті, щоб відстоювати гіпотезу про те, що комахи активно використовують статику, щоб впливати на своє середовище.

Оскільки електростатичний світ невидимий для дослідників, його сили важко вивчити, навіть до того, як ви додасте до суміші непередбачуваних істот. «Проводити дослідження в біології може бути набагато важче, ніж у фізиці, тому що ви повинні покладатися на живих тварин, щоб зробити щось», — сказав Інгленд. Він хотів перевірити, чи лускокрилі, загін літаючих комах, до якого входять метелики та молі, створюють достатньо статики під час польоту, щоб збирати пилок із квітів, які вони відвідують за нектаром, як це роблять бджоли. Але спочатку йому довелося створити спосіб вимірювання статичного заряду комах.

«Прогулянка» є найкращою аналогією в Англії для його методу обманом змусити комах залишатися в повітрі протягом 30 секунд. «Мені довелося зав’язати маленькі ласо навколо їхніх талії», — сказав він. Він прив’язав кожну льотку волосінню і протягнув через металеву петлю, закріплену для вимірювання заряду.

Англія вивчила 11 видів метеликів і метеликів, які мешкають у різних кліматичних умовах, екосистемах і способах життя. Після того, як вони літали навколо своїх кліток протягом 30 секунд — достатнього часу, щоб накопичити електростатичний заряд — він провів їх через петлю. Всі 11 видів заряджалися під час польоту. Деякі досягали статичного заряду близько 5 кіловольт на метр — цього достатньо, щоб відірвати негативно заряджений пилок на відстані 6 міліметрів, підрахував він.

Коли лускокрилі сідають прямо на квітку, пилок природним чином прилипає до їхнього тіла. Якщо статичний заряд змушує пилок пропускати крізь повітряні проміжки, «це підвищить їхню ефективність як запилювачів», сказав Інгленд. «Це збільшує ймовірність того, що відбудеться запилення».

Щоб оцінити еволюційне значення статики в еволюції, він шукав закономірності в тому, як поведінка тварин у дикій природі корелює з їхнім електричним зарядом. Він знайшов кілька. Наприклад, нічні молі, як правило, утримують менше заряду, ніж інші види. чому Цілком можливо, припускає Інгленд, що сильні заряди роблять комах більш помітними для хижаків, які вночі покладаються на невізуальні ознаки, такі як статика. Тому мінімізація заряду може допомогти молі вижити.

«Це чудові нові дані», — сказав Ортега-Хіменес. Він попередив, що 11 видів дослідження є скромним відображенням приблизно 180 000 лускокрилих у світі. «Щоб стверджувати про електростатичну адаптацію, вона повинна бути більш широкою. Але це хороша гіпотеза».

Щоб комахи діяли на статичну інформацію, вони повинні мати можливість виявляти електричні поля. Згідно з роботою лабораторії Роберта, мікроскопічні волоски на бджолах і павуках допомагають сприймати відчуття. Англія нещодавно розширила цю невирішену науку, вивчивши, як дрібні волоски гусениць відхиляються під статикою, щоб зрозуміти, як електрична інформація може допомогти гусениці вижити.

Коли англійська команда піддала гусениць дії електричних полів, подібних до тих, які створює літаюча оса, гусениці проявили захисну поведінку, наприклад згортання, розмахування або кусання. «Це фактично натякає, — сказав Інгленд, — що здобич і хижак можуть виявляти один одного лише за допомогою статичної електрики».

Дорнгауз, біхевіористський еколог, поставив під сумнів, чи електроприйняття виграє гусениці багато часу. Проте високі ставки конфлікту між хижаками та жертвами свідчать про те, що будь-яка перевага може мати значення. «Для окремої гусениці навіть невелике збільшення шансів вижити в такій зустрічі робить її еволюційно відповідною поведінкою», — сказала вона.

«Організми завжди опортуністи», — сказав Ортега-Хіменес, який вагається, але вражений дослідженнями Англії. Він прагне отримати більше даних — в ідеалі від диких тварин — для вивчення натуралістичної поведінки. «Хто виграє в цій грі? Хто більше використовує електростатику?» запитав він. «Які хижаки і жертви?»

Оскільки все більше доказів пов’язує статику з виживанням, з’являється історія про те, що еволюція може точно налаштувати здатність відчувати або нести заряд, як і будь-яку іншу рису. «Той факт, що існує такий різноманітний діапазон видів із різною екологією, робить це таким цікавим», — сказала Бет Гарріс, аспірантка лабораторії Роберта. «Потрібно відкрити справжню скриню зі скарбами».

Електрична спадковість

Оскільки робота в лабораторії Роберта триває, підозра, що виявлення та накопичення статики серед комах і павукоподібних не є випадковістю, також діє. Гусениці з кращою електрорецепцією або нічні молі, які несуть менший заряд, можуть краще ухилятися від хижаків. Якщо вони виживуть, щоб відтворювати більше, ці гени та риси, включно з тими, які допомагають організмам відчувати та використовувати статичні поля, можуть стати сильнішими та більш поширеними в наступних поколіннях.

Починає ставати неможливим ігнорувати ідею про те, що електростатика може мати більший вплив на тваринний світ, ніж ми знаємо сьогодні. Цілі екосистеми можуть залежати від прихованих електричних полів. «Якщо ви раптом приберете електростатику, я не думаю, що ви отримаєте масове вимирання», — сказав Інгленд. «Але я думаю, що ми були б здивовані тим, скільки тварин доведеться адаптуватися до того, щоб не використовувати його».

Електростатичні сили діють у масштабі міліметрів і сантиметрів, але їх сукупний вплив може бути набагато більшим. Наприклад, соціальні бджоли, такі як джмелі, збирають їжу для інших членів колонії та личинок. Здобувачі їжі щодня приймають сотні рішень щодо квітів, і багато інших бджіл залежать від цих рішень. «Те, що ми вважаємо досить тонкою різницею на індивідуальному рівні — здатність виявити квітку всього на секунду швидше — може мати для них досить важливе еволюційне значення», — сказав Дорнгауз, який вивчає, як бджоли взаємодіють з квітами.

Якщо статичні заряди сприяють запиленню, вони також можуть змінити еволюцію рослин. «Можливо, деякі фундаментальні особливості квітів насправді лише служать для створення правильного електростатичного поля, — сказав Дорнгауз, — і оскільки ми не можемо їх побачити, ми проігнорували весь цей вимір життя квітки». Ідея не така вже й надумана: у 2021 році команда Роберта спостерігала, як петунії виділяють більше сполук, які приваблюють жуків навколо бджолиних електричних полів. Це свідчить про те, що квіти чекають, поки поруч не опиниться запилювач, щоб активно заманити їх ближче, сказав Роберт.

«Люди дуже візуально орієнтовані, тому ми схильні наголошувати на ефектних і великих квітах», — сказав Дорнгауз. Але ми вже знаємо, що квіти передають сильні невидимі сигнали, такі як запахи або ультрафіолетові візерунки. «Цілком може статися, що для деяких квітів електричне поле насправді є більш помітним сигналом для бджіл, ніж колір».

Однак еволюційні деталі, що оточують електростатичну екологію, залишаються в кращому випадку туманними. «Дійсно дивовижно, як мало ми знаємо», — сказав Уейнрайт, еколог з еволюції комах. Навіть у межах добре зрозумілих візуальних та акустичних систем екологи лише починають з’єднувати еволюційні точки.

Оскільки електростатика залишилася поза увагою, Англія хвилюється, що люди несвідомо перешкоджають тваринам використовувати ці сили. «Ми весь час викидаємо електростатичні речовини в навколишнє середовище», — сказав він. Електронні пристрої, прилади, лінії електропередач, добрива і навіть одяг несуть статичний заряд. «Якщо [комахи] чутливі до помахів крил оси, вони, ймовірно, чутливі до лінії електропередач, і це може порушити всю систему».

Після завершення докторської роботи Інгленд тепер вивчає зір тварин як постдокторант у Берлінському музеї природознавства. Він сподівається одного дня запустити власну лабораторію, щоб досліджувати ці питання збереження та відкривати нові випадки повітряної електрорецепції або електростатичної поведінки, наприклад спаровування.

«Я мріяв би про те, щоб повітряне електростатичне зондування було добре відоме та вважалося б регулярною частиною сенсорного репертуару тварин», — сказав він. Щоб реалізувати цю мрію, знадобляться додаткові дослідження, які з’ясують таємниці еволюції тварин, набагато менших за нас, і таким чином розширять наш світ.