Триллионы насекомых перемещаются по миру каждый год. Ученые работают над новыми способами картирования этих дальних путешествий.
Теплым летним утром в Ипре, Бельгия, 66-летний Сильвен Кювелье заходит в свой цветущий сад со своей 14-летней внучкой, надеясь идентифицировать и подсчитать всех порхающих бабочек. В другие дни он помогает ученым, собирая образцы бабочек. Затем он записывает место каждого наблюдения с помощью GPS, вносит их в свою базу данных Excel и иногда отправляет образцы своим коллегам-ученым, которые анализируют зерна пыльцы, прилипшие к телам насекомых. Эти крошечные зерна пыльцы, собранные такими гражданскими учеными, как Кювелье, помогают исследователям изучать процесс, который до сих пор оставался во многом непостижимым: миграционные пути насекомых, перемещающихся по земному шару на протяжении многих поколений.
Используя пыльцу, ученые смогли определить, где отдельные бабочки начали свои путешествия, и даже предположить события, которые, вероятно, спровоцировали их миграцию. Эти знания могут помочь экологам лучше понять некоторые последствия изменения климата — не только для самих насекомых, но и для их миграций и экосистем, в которых они обитают. Множество насекомых проводят всю свою жизнь в одном месте. Многие другие мигрируют, как и многие птицы, чтобы избежать суровой погоды, найти еду или размножиться. По некоторым оценкам, триллионы насекомых мигрируют по всему миру каждый год, но ученые мало знают о том, куда они направляются или как они туда попадают. Отслеживать миграцию насекомых не так просто, как отслеживать птиц или млекопитающих. В случае с птицами «можно прикрепить кольцо к ноге или использовать радиослежение, и легко доказать, что они перемещаются из точки А в точку Б», — говорит Томаш Сухан, молекулярный эколог Польской академии наук в Кракове. Но большинство насекомых слишком малы, чтобы эти методы были успешными.
В Северной Америке исследователи добились определенных успехов в отслеживании бабочек-монархов , известных своей замечательной миграцией из южной Канады и северных Соединенных Штатов в центральную Мексику. В начале 1990-х годов гражданская научная инициатива Monarch Watch начала маркировать бабочек вокруг Скалистых гор. Было помечено более 2 миллионов монархов, и более 19 000 случаев обнаружения было зарегистрировано в Мексике, где монархи собираются на ночлег на зиму. Это помогло биологам отслеживать маршруты их миграции. Однако бабочек без таких четко определенных скоплений отслеживать сложнее. Например, бабочки-расписные дамы часто появляются в Европе осенью, иногда в большом количестве. «Затем они исчезают, и мы на самом деле не знаем, куда они деваются», — говорит Жерар Талавера, энтомолог из Института ботаники Барселоны. Несколько лет назад Талавера и его команда поняли, что они могут отслеживать бабочек косвенно, изучая пыльцу, которая скапливается на их телах. Каждый раз, когда бабочка посещает цветок, чтобы попить нектара, она также собирает крупинки пыльцы. Если бы исследователи могли идентифицировать растения по их пыльце, подтвердить, где и когда растения цветут, и продолжать отслеживать их по мере того, как бабочки достигают разных географических регионов, возможно, они смогли бы проследить весь путь бабочек. «Этот метод похож на то, как если бы мы прикрепляли к ним GPS», — говорит Талавера. «Поскольку мы не можем этого сделать, это самое близкое, к чему мы можем подойти».
У этой бабочки-монарха много маленьких белых пыльцевых зерен, прилипших к ее телу от предыдущих визитов на цветы. Ученые изучают такие пыльцевые зерна, чтобы определить виды растений, с которых они произошли, и где бабочки, вероятно, их приобрели. КРЕДИТ: РОБЕРТ / STOCK.ADOBE.COM
Карты миграции пыльцы
Ученые смогли проверить эту идею в 2019 году, когда у накрашенных дам случился один из спорадических всплесков численности популяции. В марте того года, когда стаи бабочек появились на Ближнем Востоке и в Средиземноморье, гражданские ученые поймали образцы бабочек сеткой, затем сохранили их в спиртовой смеси и отправили в лабораторию Талаверы. Там исследователи изолировали пыльцевые зерна, прикрепленные к телам бабочек, и секвенировали определенный участок ДНК пыльцы, который представляет собой уникальную подпись для каждого вида растений, процесс, известный как метабаркодирование. Все это время гражданские ученые продолжали ловить образцы бабочек, поскольку всплеск популяции постепенно распространялся по восточной, северной и западной Европе в течение следующих месяцев, достигнув южного Марокко в начале ноября.
Анализируя пыльцу, собранную с 264 бабочек из 10 разных стран за семь месяцев, исследователи определили 398 различных растений, которые они могли использовать для отслеживания перемещений бабочек в обратном направлении в течение года. Из этого они обнаружили, что рои бабочек, наблюдавшиеся в России, Скандинавии и странах Балтии, вероятно, были потомками бабочек, возникших из-за всплеска численности в Аравии и на Ближнем Востоке. Похоже, это распространилось на Восточную Европу, затем на Скандинавию, а затем на Западную Европу, что привело к заметному росту численности населения в Великобритании, Франции и Испании. Оттуда бабочки могли мигрировать в южное Марокко, вероятно, продолжив путь в тропическую Африку, чтобы завершить свой годовой цикл.
Всплеск популяции бабочек-расписных леди в 2019 году начался на Ближнем Востоке. Это вызвало массовую миграцию нескольких поколений, которая распространилась по Европе и Африке в последующие месяцы. Сплошные стрелки представляют собой миграционные перемещения, подтвержденные пыльцевыми зернами; пунктирные стрелки представляют собой перемещения, предполагаемые наблюдениями за бабочками, но не подтвержденные пыльцой. Разные цвета на карте представляют разные поколения бабочек. Данные по пыльце даже предположили причину, по которой в 2019 году внезапно стало так много расписных дам. Бабочки, собранные в восточном Средиземноморье в самом начале всплеска численности популяции, несли пыльцу с видов растений, встречающихся в основном в полузасушливых кустарниках, лугах и солончаках северной Аравии и Ближнего Востока. Изучая спутниковые снимки, исследователи заметили, что с декабря 2018 года по апрель 2019 года эти растения испытали большой скачок роста после периода необычно сильных осадков. Этот всплеск роста, как предполагают исследователи, мог обеспечить бабочкам идеальные условия для питания и размножения, вызвав взрыв численности популяции и оставив волновой эффект, который повлиял на многие поколения. Талавера и его команда использовали пыльцевые сигнатуры для отслеживания перемещений других бабочек. Например, в 2013 году бабочки-расписные дамы были найдены отдыхающими на побережье Южной Америки, во Французской Гвиане. Расписные дамы обычно не живут в Южной Америке, и было загадкой, откуда они взялись. Десять лет спустя команда Талаверы взяла образцы пыльцы из все еще сохранившихся тел бабочек и обнаружила, что Guiera senegalensis , распространенное растение, встречающееся только в странах Африки к югу от Сахары, было самым распространенным типом пыльцы, прикрепленной к этим бабочкам.
Проанализировав прибрежные исследования, ветровые режимы, пыльцу и условия окружающей среды, они подтвердили, что бабочки, вероятно, пересекли Атлантику за восемь дней непрерывного полета из Африки. Это открытие стало первым подтвержденным случаем пересечения Атлантики насекомым .
«Использование меташтрихкодирования пыльцы для отслеживания того, откуда приходит каждое поколение бабочек и как они проходят через цикл, является суперновым», — говорит Кристин Мерлин, биолог из Техасского университета A&M и соавтор статьи о нейробиологии миграции бабочек в Annual Review of Entomology . Поскольку он идентифицирует отдельные виды растений, отмечает она, этот метод обещает большую точность, чем стандартный метод, анализ изотопной сигнатуры, который отслеживает региональные различия в химическом составе насекомых. Хотя «Расписные дамы» служат модельной системой для понимания миграции насекомых, исследователи уверены, что этот метод может подойти для отслеживания других мигрирующих опылителей, которые активно посещают цветы для сбора нектара, включая других бабочек, мух-сирфид, ос, жуков и молей.
Отслеживание путей миграции насекомых может приобретать все большее значение в условиях меняющегося климата, поскольку такие насекомые могут переносить грибковые заболевания в дополнение к пыльце. Фактически, Сучан обнаружил много видов грибков у некоторых бабочек. Известно, что около 1000 грибков поражают насекомых, а более 19 000 могут поражать сельскохозяйственные культуры. Таким образом, мигрирующие насекомые могут потенциально распространять эти грибковые заболевания по всем континентам, создавая риски для экосистем и экономики. Талавера, Сучан и их коллеги надеются, что использование сигнатур пыльцы для картирования меняющихся схем миграции может помочь предсказать, где могут произойти вспышки грибковых заболеваний. Тем временем Кювелье надеется продолжить считать бабочек вместе со своей внучкой. Экологам все больше и больше понадобится «больших данных» для понимания крупномасштабных явлений, говорит он. Без гражданских ученых, говорит он, «исследователям невозможно собрать такие базы данных». Кроме того, добавляет он, молодые люди могут узнать больше из гражданской науки, чем просто о том, как поймать бабочку. «Они узнают о природе, — говорит он, — и это воспитывает любопытство к миру».
фото: Необычные осадки в 2019 году стимулировали рост растительности, создав идеальные условия для размножения бабочки-расписной леди, показанной здесь кормящейся, и подпитывая массовый всплеск популяции на Ближнем Востоке, в Европе и Африке. Явление было настолько примечательным, что год стал известен как Год расписной леди. КРЕДИТ: РЕБЕККА КОУЛ / ФОТО ALAMY STOCK