Дождливая мартовская ночь в кубинском дождевом лесу. Аспирант Ральф Саймон сидит среди насекомых с инфракрасной камерой и пакетом бутербродов. Он ждёт летучих мышей. Вокруг — тысячи листьев, и каждый из них отражает ультразвук по-своему: слабо, хаотично, неразборчиво. Но один лист работает иначе. Его эхо — громкое, стабильное, одинаковое с любого направления. Для летучей мыши, которая ориентируется в темноте по отражённому звуку, этот лист сияет как маяк среди шума. Мыши прилетают к нему несколько раз в час. Всю ночь.
Лист принадлежит лиане Marcgravia evenia — кубинскому эндемику, который решил задачу, над которой инженеры бились десятилетиями. Пока цветковые растения соревнуются в яркости лепестков и силе аромата, маркгравия пошла другим путём: вырастила параболический отражатель ультразвука. Это первое растение с акустическим маяком для опылителей — среди более чем пятисот видов, опыляемых летучими мышами, ни один другой не создал ничего подобного.
Архитектура приглашения
Соцветие маркгравии устроено как многоуровневая конструкция. Цветоносный побег свисает вниз, и на нём расположены два типа прицветников. Верхние — вогнутые, чашевидной формы, диаметром около сантиметра. Именно они работают как параболические антенны, фокусируя ультразвуковые импульсы летучих мышей и отражая их обратно. Нижние прицветники преобразованы в кувшинчики-нектарники, наполненные сладким нектаром. Между отражателями и нектарниками располагается кольцо цветков с пыльцой.
Механизм опыления прост и безотказен. Мышь ловит отражённый сигнал верхнего прицветника, подлетает к соцветию, обнаруживает нектарники и погружает мордочку в кувшинчик. При этом она неизбежно касается пыльников. Перелетая к следующему растению, переносит пыльцу. Обмен честный: нектар в обмен на опыление.
Такое сочетание двух типов специализированных прицветников на одном соцветии — акустических отражателей сверху и нектарников снизу — в ботанике встречается редко. В дикой природе маркгравию опыляют мыши рода Monophyllus — кубинские нектароядные летучие мыши. Для них, совершающих сотни визитов к цветкам за ночь, способность быстро находить источник пищи — вопрос выживания.
Полусфера на фотографии
Ральф Саймон, тогда аспирант Университета Эрлангена-Нюрнберга, изучал ориентацию летучих мышей в лабораторных условиях. Он заметил, что нектароядные мыши Glossophaga soricina находят полусферические объекты значительно быстрее, чем плоские — вогнутая форма создаёт сильное и стабильное эхо. Однажды он увидел в журнале фотографию маркгравии эвении с характерным чашевидным листом над соцветием и сразу узнал знакомую форму. Его научный руководитель Отто фон Хельверсен отнёсся к идее скептически: нужны доказательства. Так Саймон оказался в кубинском лесу.
Результаты подтвердили гипотезу. В 2011 году Саймон с коллегами — Марком Хольдерайдом, Коринной Кох и Отто фон Хельверсеном — опубликовал исследование в журнале Science. Они прятали кормушку с нектаром среди искусственной листвы, меняя её положение 64 раза. Летучие мыши находили цветок вдвое быстрее — за 12,3 секунды вместо 23 — когда рядом был чашевидный лист маркгравии. Обычный плоский лист сокращал время поиска всего на 6%.
Для маркгравии, растущей разреженными популяциями в густом подлеске, такой акустический маяк — единственный способ привлечь опылителя издалека. Летучие мыши обладают большим радиусом действия и отличной пространственной памятью, что делает их идеальными переносчиками пыльцы между далеко растущими растениями. Каждая сэкономленная секунда на поиск цветка — это энергия, которую мышь потратит на следующий визит. Выигрывают оба.
Тот же трюк, другой континент
В 2015 году похожую конструкцию обнаружили на Борнео — за 15 тысяч километров от Кубы. Хищное растение непентес Хемсли (Nepenthes hemsleyana) имеет кувшин с задней стенкой параболической формы. Эта стенка отражает ультразвук летучей мыши Kerivoula hardwickii так же эффективно, как лист маркгравии. Только цель другая: непентес привлекает мышей не для опыления, а для ночлега. Мыши спят в кувшинах, а растение получает гуано — источник азота в бедных почвах. Статья в Current Biology подтвердила: кувшины с отражателем привлекали мышей в два раза чаще, чем без него.
Два организма на расстоянии 15 тысяч километров, не связанные эволюционно, независимо пришли к одному инженерному решению — параболическому отражателю ультразвука. Конвергентная эволюция формы крыла или глаза — явление известное. Но конвергенция на уровне акустической физики — случай, мягко говоря, нечастый. Ральф Саймон участвовал в исследовании обоих видов, и эта параллель стала ключом к следующему шагу.
От листа — к роботу
В январе 2020 года Саймон и коллеги из университетов Антверпена, Эрлангена-Нюрнберга и Амстердама опубликовали в PNAS результаты эксперимента с 3D-печатными копиями листьев маркгравии. Пластиковые отражатели, повторяющие форму чашевидного прицветника, использовались как навигационные маяки для робота с ультразвуковыми датчиками. Робот на трёх колёсах двигался по лаборатории, издавая сигналы наподобие эхолокации, и уверенно различал отражатели разного размера по их акустическим сигнатурам — словно читал дорожные знаки в темноте. Окружающие предметы создавали хаотичное эхо, но сигнал от биомиметических отражателей выделялся так же чётко, как лист маркгравии в ночном лесу.
Сонарные датчики дёшевы и энергоэффективны. Они давно применяются в беспилотных автомобилях и складских роботах, но до этого момента у них не было собственной системы навигационных маркеров. Камеры используют QR-коды, лидары — специальные отражатели. А для сонаров — ничего. Лист кубинской лианы подсказал решение, над которым инженеры работали десятилетиями. Потенциальные применения: автоматизированные парковки, шахты, запылённые теплицы — среды, где оптические и лазерные системы бесполезны.
Имя на этикетке
Род Marcgravia назван Карлом Линнеем в 1753 году в честь Георга Маркграфа — немецкого натуралиста, астронома и картографа, отправившегося в Голландскую Бразилию в 1638 году под патронажем губернатора Иоганна Маурица Нассау-Зигенского. За шесть лет Маркграф провёл первую в истории комплексную экспедицию по изучению природы Южной Америки, описал 133 вида птиц и более 100 видов рыб, а в 1639 году основал в Ресифи первую в Западном полушарии астрономическую обсерваторию. Его фундаментальный труд Historia Naturalis Brasiliae вышел в 1648 году — посмертно: Маркграф умер в Анголе в 1644 году, в возрасте тридцати четырёх лет.
Кубинская лиана с его именем скрывала свой главный секрет почти четыре столетия. Понадобился немецкий аспирант, дождливая ночь и фотография в журнале, чтобы параболическая форма листа была наконец узнана как акустическая антенна. Природа решает инженерные задачи без публикаций в Science и грантов — просто создаёт решения и ждёт, когда кто-нибудь их заметит.
📌 Друзья, помогите нам собрать средства на работу в этом месяце. Мы не размещаем рекламу в своих статьях и существуем только благодаря вашей поддержке. Каждый донат — это новая статья о замечательных растениях с каждого уголка планеты!