Бабочка может идеально сливаться с корой и всё равно выдать себя хищнику. Ночью летучая мышь ищет насекомое по эху: посылает ультразвуковые сигналы и слушает, что возвращается. Поэтому некоторым ночным бабочкам нужен камуфляж, который работает со звуком. Его создают крошечные чешуйки на теле и крыльях. Они помогают поглощать ультразвук и ослабляют сигнал, по которому охотник мог бы обнаружить добычу.
Спрятаться от слуха
Летучей мыши не обязательно разглядеть рисунок на крыле. Звуковая волна достигает насекомого, часть энергии возвращается обратно, и эхо сообщает о возможной добыче. Отсюда возникает другая задача маскировки: сделать возвращающийся сигнал слабее. Окраска, удачная для человеческого глаза, сама по себе этой задачи не решает.
У разных ночных бабочек есть разные способы противостоять такой охоте. Некоторые слышат ультразвуковые сигналы и успевают уклониться; другие производят собственные звуки. Исследователей Бристольского университета заинтересовали виды, у которых нет слуха, чувствительного к сигналам летучих мышей. Их пассивная защита может действовать без предварительного обнаружения опасности.1
Слово «пассивная» здесь означает, что покрытию не нужно включаться в ответ на приближение хищника. Это удобно сравнить с тёмной окраской: животное не обязано каждый раз решать, поглощать ли падающий свет. Но свойства такого покрытия нужно измерить. Внешняя пушистость или красивый узор ещё ничего не говорят о том, насколько тихим будет эхо.
Шуба на теле и тонкое покрытие на крыле
В работе 2020 года учёные изучали чешуйки на груди бабочек Antherina suraka и Callosamia promethea. Удлинённые структуры образуют похожий на мех покров. Он действует как пористый звукопоглотитель. В измерениях максимальное поглощение достигало 85% падающей звуковой энергии; расчётная дистанция обнаружения могла сокращаться почти на четверть.1
Ослабив эхо, такой покров сокращает пространство, в котором охотник способен заметить добычу. Исход встречи зависит и от поведения животных, но измерения позволяют выделить вклад самой структуры: часть звуковой энергии теряется ещё до того, как отражённый сигнал отправится обратно.
Для крыла густая «шуба» создаёт другую проблему: оно должно оставаться достаточно лёгким и тонким для полёта. В ноябре того же года команда представила исследование значительно более тонкого слоя крыловых чешуек. Оказалось, что его устройство позволяет поглощать ультразвук иначе, чем это делает сравнительно объёмный покров на теле.2
Маленькие резонаторы
Результаты, опубликованные в PNAS, относятся прежде всего к двум исследованным видам: Antheraea pernyi и Dactyloceras lucina. Их крылья несут множество чешуек, связанных общей мембраной. В этой системе отдельные чешуйки работают как резонансные элементы, а их совместное действие создаёт широкополосное поглощение звука.3
Резонанс проще представить через качели. При подходящем ритме небольшие толчки вызывают заметное движение. В акустическом покрытии роль толчков играют колебания давления. Механическая структура откликается на них, и часть звуковой энергии рассеивается. Это лишь аналогия: крыло не состоит из настоящих качелей, но идея согласования внешнего воздействия с собственным движением полезна для понимания.
Одного одинакового резонатора было бы мало для широкого диапазона. Разные по устройству элементы откликаются на разные частоты, а общая мембрана связывает их работу. Авторы показали, что коллективное поглощение превышает простую сумму индивидуальных вкладов чешуек. Такая организация позволила им описать крыло как природный акустический метаматериал.3
Термин обозначает материал, чьи необычные свойства определяются устройством множества небольших элементов. В данном случае интересен способ собрать очень тонкое покрытие с акустическими свойствами, которые трудно получить обычным объёмным поглотителем.2
Что именно удалось измерить
Пиковое поглощение крылового покрытия в исследовании достигало 72% интенсивности звука на частоте 78 килогерц. Толщина структуры была в 111 раз меньше длины самой длинной поглощаемой волны. Это сочетание малой толщины и работы в широком диапазоне сделало результат особенно интересным.3
Показатели 72% и 85% относятся к разным опытам: первый описывает максимум для крылового покрытия, второй получен для покрова тела. Эффективность зависит от частоты и условий измерения. Даже похожие на вид детали животного могут решать одну задачу разными способами.
Чтобы исследовать отражение, команда использовала акустическую томографию. Она позволяет получать картину эха от разных участков объекта. На сравнительных изображениях обычная фотография и акустическая картина стоят рядом: вторая показывает уже не цвет, а отражение звука. Это хороший способ заметить, насколько обманчиво привычное представление о заметности.2
У других бабочек другая стратегия
Акустическое поглощение не является универсальным объяснением всех чешуек или всех ночных бабочек. Например, у горностаевых молей рода Yponomeuta описана другая защита: они создают ультразвуковые щелчки при полёте, хотя сами не слышат приближение летучей мыши. Звукообразующая структура связана с движениями крыла.4
Исследователи рассматривают такие сигналы в контексте акустического предупреждения о несъедобности. Для ночного хищника звук может выполнять ту роль, которую при дневном освещении играет предупреждающая окраска. Получается, одному виду полезно уменьшить эхо, другому полезно подать заметный сигнал. 4
Можно ли сделать такие обои
В 2022 году та же исследовательская группа проверила, как фрагменты крыльев ведут себя на твёрдой отражающей подложке. Их размещали на алюминиевом диске, меняли ориентацию и удаляли отдельные слои чешуек. Максимальное снижение отражения достигло 87% на нижней исследованной частоте 20 килогерц. Работа также показала существенную роль воздушного промежутка под мембраной.5
Это шаг от свободного крыла к покрытию поверхности, но ещё не готовые шумоизолирующие обои. Исследованный диапазон относится к ультразвуку. Чтобы воспользоваться принципом в комнате, конструкцию нужно приспособить к более низким частотам человеческой речи и бытового шума. Бристольский университет прямо обозначил это как следующую инженерную задачу.6
Для будущего покрытия особенно полезна способность работать при малой толщине. В обычной комнате место ограничено: толстая акустическая панель меняет пространство заметнее, чем тонкий слой на стене. Но инженерам предстоит учитывать и прочность, и производство, и нужный диапазон частот. Биологическая структура задаёт принцип, вокруг которого можно искать практическую конструкцию.
Самый интересный вывод здесь уже проверяем: тонкое крыло может одновременно служить для полёта и уменьшать собственную акустическую заметность. На нём работает структура, которую невозможно оценить по одной фотографии. Чтобы понять, как бабочка прячется, иногда нужно посмотреть на неё чужим слухом.
Источники
- University of Bristol. Deaf moths evolved noise-cancelling scales to evade predators, 2020.
- University of Bristol. Moths strike out in evolutionary arms race with sophisticated wing design, 23 ноября 2020.
- Neil T. R. et al. Moth wings are acoustic metamaterials. PNAS, 2020.
- University of Bristol. Deaf moth evolves sound-production as a warning to outwit its predator, 2019.
- Neil T. R. et al. Moth wings as sound absorber metasurface. Proceedings of the Royal Society A, 2022.
- University of Bristol. Moth wing-inspired sound absorbing wallpaper in sight after breakthrough, 2022.
