Адгезивные щетинки божьей коровки

На фото запечатлены щетинки, покрывающие лапку (дистальный, или конечный, сегмент) передней ноги семиточечной божьей коровки (Coccinella septempunctata). Щетинки флюоресцируют в свете лазера конфокального микроскопа. Снимок попал в Топ-20 международного конкурса микрофотографии Nikon Small World 2013.

Эти щетинки обеспечивают адгезию, то есть прилипание лапки к поверхности, на которой находится божья коровка, и тем самым позволяют ей удерживаться на поверхностях практически с любым углом наклона — в том числе «вниз головой». Это происходит за счет электростатических и вандерваальсовых взаимодействий. По этому принципу работают «клейкие» лапки у насекомых, паукообразных, гекконов и других животных (см. картинку дня Адгезивные подушечки кускуса).

Сила прилипания зависит не от химических свойств поверхности, а от физических свойств окончаний щетинок. У самок божьих коровок есть два типа адгезивных щетинок: уплощенные на концах S-щетинки (от англ. spatula — «лопатка») и заостренные P-щетинки (от pointed — «заостренный»). Первые встречаются только на кончике лапки, а середина и основание лапки покрыты только вторыми. У самцов помимо этих типов есть также дисковидные щетинки, которые обеспечивают сильную адгезию (за счет большой площади) с гладкими надкрыльями самки во время спаривания.

Лапки семиточечной коровки (a) с разными типами адгезивных щетинок. b–d — лапки самки, h–j — лапки самца. e, f — заостренные P-щетинки; g — уплощенные S-щетинки; k — дисковидные щетинки на лапке самца: они покрывают части T1 и T2 передней (h), средней (i) T2 задней (j) лапок. cw — коготок. Длина масштабных отрезков: b–d, h–j — 100 мкм, e–g, k — 10 мкм. Фото из статьи L. Heepe et al., 2017. Impact of Ambient Humidity on Traction Forces in Ladybird Beetles (Coccinella septempunctata)

Независимо от формы каждая щетинка на своем протяжении, от основания до кончика, демонстрирует два четких взаимосвязанных градиента. Один градиент имеет отношение к материалу, из которого состоят щетинки, и проявляется в том, каким цветом флюоресцируют разные части щетинки. Голубым и синим цветом светится белок резилин, более мягкий и эластичный, чем другие белки (он входит во внеклеточный матрикс, обычно в комплексе с хитином как структурным компонентом). Видно, что резилина много на кончиках щетинок, в то время как в основании щетинок и в их средней части доминируют более «жесткие» материалы (в основном, хитин), которые флюоресцируют зелено-желтыми цветами. У коровок есть также неадгезивные щетинки без резилина — возможно, они нужны для поддержки всей «щётки» и придания ей большей упругости.

Снимки отдельных щетинок самки семиточечной коровки, сделанные различными методами, в том числе с помощью конфокального микроскопа. (a, d, g). Виден градиент распределения резилина по всей длине щетинки с наиболее высокой концентрацией на ее кончике (синий цвет). a–c — адгезивные S-щетинки, d–f — адгезивные P-щетинки, g–i — неадгезивные щетинки. Изображение из статьи H. Peisker et al., 2013. Evidence for a material gradient in the adhesive tarsal setae of the ladybird beetle Coccinella septempunctata

Другой градиент касается упругости разных частей щетинки — их способности сопротивляться деформации. Измеряется он с помощью модуля Юнга: чем выше его значение, тем эта способность больше. На богатом резилином кончике щетинки величина модуля Юнга в среднем составляет 1,2 МПа, в основании — 6,8 ГПа. То есть основание жестче более чем в тысячу раз.

Изменение величины модуля Юнга на всем протяжении свежей (не засушенной) адгезивной щетинки. По оси абсцисс отложено расстояние от кончика щетинки (мкм), по оси ординат — величина модуля Юнга для каждого отрезка в МПа. Изображение из статьи H. Peisker et al., 2013. Evidence for a material gradient in the adhesive tarsal setae of the ladybird beetle Coccinella septempunctata

Резилин критически важен для выполнения щетинкой своей адгезивной функции. Не случайно он сосредоточен на кончике: за счет этого щетинки лучше гнутся и прилегают к поверхности, давая возможность электростатическим и вандерваальсовым силам проявить себя. Помимо мягкости резилина, дающей увеличение пятна контакта лапки с поверхностью, может иметь значение также его способность к гидратации: резилин связывает гораздо больше воды, чем хитин. Лучше всего адгезия работает при средней влажности воздуха (60%), а при низкой (15%) или высокой (99%) прилипание происходит хуже.

Сложенные из других белков основания и средние части щетинок придают им необходимую упругость, чтобы не сгибаться сверх меры: благодаря этому нога насекомого эффективно прилипает даже к неровной поверхности, потому что в местах впадин щетинки расправляются больше. Так общие закономерности строения каждой щетинки в отдельности делают их в комплексе более эффективным инструментом для прилипания к поверхности с любым углом наклона, даже если она не слишком ровная.

Фото © Jan Michels с сайта nikonsmallworld.com, увеличение: 20×.

Олег Соколенко