Десять лет назад японский химик Эйдзиро Мияко пытался изобрести жидкость, которая могла бы работать как проводник электричества. Но созданный им липкий гель не получился, и он убрал его в шкаф в незакрытой бутылке и забыл о нем. Недавно, во время уборки в лаборатории, он обнаружил его заново, причем вязкая масса осталась неизменной.
Озабоченный изменением климата и его влиянием на естественных опылителей, особенно пчел и других насекомых, Мияко задумался о том, сможет ли изготовленный им материал, сохранивший свои свойства спустя десятилетие, собирать пыльцу. В итоге он сконструировал крошечный, размером с насекомое, дистанционно управляемый дрон, который мог переносить его вещество и использовать его для сбора и размещения пыльцевых зерен.
“Я думаю, что изменение климата – это одна из страшных проблем, влияющих на наших естественных опылителей”, – сказал он. “Наша технология и искусственные опылители могут стать перспективным решением проблемы опыления нашей прекрасной планеты”.
По данным Pollinator Partnership, во всем мире примерно 1000 растений, выращиваемых для производства продуктов питания, напитков, волокон, специй и лекарств, должны опыляться животными, включая яблоки, чернику, шоколад, кофе, дыни, персики, картофель, тыкву, ваниль, миндаль и текилу. По данным организации, опыление медоносными пчелами, местными пчелами и другими насекомыми ежегодно производит в США продукции на 40 миллиардов долларов.
Однако в последние годы опылители испытывают проблемы, страдая от потери среды обитания, неправильного использования химикатов, болезней и паразитов, а также других опасностей. В результате за последние десять лет страна потеряла более половины управляемых колоний медоносных пчел. Исследования показали, что последствия глобального потепления приводят к сокращению географического ареала обитания североамериканских и европейских шмелей, а сами насекомые не могут приспособиться к меняющимся условиям.
Прежде чем приступить к решению проблемы медоносных пчел, Мияко провел эксперимент с домашними мухами и муравьями.
Он намазал муравьев жижей и выпустил их побродить внутри ящика с тюльпанами. По сравнению с насекомыми, на которых не было геля, те, на которых он был, гораздо чаще собирали пыльцу.
Однако для создания эффективного искусственного опылителя нужен был какой-то летательный аппарат для переноса пыльцы. Он нашел четырехпропеллерный дрон размером с насекомое, с дистанционным управлением, стоимостью около 100 долларов, и прикрепил к нему пучок конских волос, чтобы имитировать пушистую внешность пчелы.
Затем он и его коллеги по исследованию нанесли гель на щетинки конского волоса, чтобы пыльца прилипла к ним. Кроме того, конский волос генерирует электрический заряд, который удерживает зерна на месте.
Они пролетели на маленьких дронах с прикрепленными волосками и гелем над цветами розоволистных японских лилий. Маленькие дроны собирали пыльцу, и исследователи направляли их к другим цветам, где они опускали зерна, искусственно опыляя растения.
Эйдзиро Мия
Он и его коллеги считают, что роботы-опылители в конечном счете смогут изучать пути опыления с помощью систем GPS и искусственного интеллекта.
Тем не менее, Мияко признает, что до широкого применения крошечных дронов в сельском хозяйстве предстоит еще много работы, в том числе по улучшению того, как маленькие машины сбрасывают пыльцу. Застрявшие зерна требуют дополнительной физической силы для их освобождения.
До сих пор “десорбция пыльцы, возможно, происходила при ударе материалов со скопившейся пыльцой о женские цветки”, – сказал он. “Действительно, мы никогда не характеризовали, какие силы на самом деле действовали на них. Это задача на будущее – улучшить характеристики для сбрасывания пыльцы на желаемое растение”.
Мияко, старший научный сотрудник Исследовательского института наноматериалов Национального института передовых промышленных наук и технологий в Ибараки, Япония, описал свою работу в исследовании, опубликованном в журнале Chem.
Он и его коллеги – последние в длинной истории тех, кто пытался найти способы помочь природе с опылением. Эти попытки насчитывают тысячи лет, по крайней мере до 2000 года до нашей эры, когда люди опыляли финиковые пальмы вручную. Совсем недавно люди вручную опыляли цветы томатов в теплицах, а в некоторых районах Китая – яблони в отсутствие местных опылителей.
Тем не менее, несмотря на актуальность проблемы изменения климата и других угроз для насекомых-опылителей, некоторые эксперты считают, что искусственные методы будут менее эффективными и экономически целесообразными для сохранения популяций пчел. Кроме того, они опасаются, что внимание и ресурсы, направленные на технологии искусственного опыления, могут помешать усилиям по борьбе с воздействием глобального потепления на естественных опылителей.
“К счастью, в большинстве случаев во всем мире экосистемные услуги по опылению предоставляются местными насекомыми бесплатно, поэтому нет необходимости прибегать к искусственному опылению”, – говорит Дэвид Иноуе, заслуженный профессор биологии Мэрилендского университета, изучающий биологию опыления и не принимавший участия в исследовании. “Новая технология интересна, но, скорее всего, принятие мер по привлечению местных опылителей обойдется дешевле, чем использование беспилотников”.
Берри Дж. Броси, доцент кафедры экологических служб Университета Эмори, который также не принимал участия в исследовании, согласен с этим. “Есть вероятность, что такая технология снизит стимулы к сохранению опылителей, – сказал он.
Кроме того, механическая замена опылителей, хотя и осуществима в небольших масштабах, вряд ли будет экономически возможна на уровне, необходимом для опыления сельскохозяйственных культур, говорит Броси. “Японские лилии, вид растений, который был использован для испытания этой технологии, имеют очень крупные и эффектные цветы, что резко контрастирует с большинством сельскохозяйственных культур”, – сказал он.
Например, канола, экономически важная культура, зависящая от опылителей, имеет очень мелкие цветки, сгруппированные на тонких стеблях, которые растут очень близко друг к другу на коммерческих полях канолы, сказал он. “Нынешние технологии механического опыления должны значительно продвинуться по ряду параметров, чтобы обеспечить возможность применения в этой гораздо более сложной области”, – говорит Броси.
Более того, он добавляет, что замена живых опылителей механическими альтернативами может привести к неравенству в обществе. “Исследования показали, что сокращение численности опылителей, скорее всего, будет связано с дефицитом питания в развивающихся странах среди мелких фермеров – именно той категории населения, которая почти наверняка не сможет позволить себе такую технологию”, – говорит он.
Помимо своей роли в выращивании сельскохозяйственных культур, насекомые также опыляют более 90 процентов дикорастущих цветущих растений и деревьев, которые, в свою очередь, обеспечивают целый ряд экосистемных услуг, от которых зависят люди, “включая производство кислорода, очистку воды и воздуха, предотвращение эрозии и живописную природу, а также многое другое”, – сказал Броси. “Создание среды обитания опылителей на полях сельскохозяйственных культур или рядом с ними может дать множество других преимуществ, включая обеспечение среды обитания для естественных врагов вредителей сельскохозяйственных культур, связывание углерода, контроль эрозии и поддержку биоразнообразия растений и других видов”.
Японские исследователи признают эти недостатки и препятствия, которые им предстоит преодолеть. Тем не менее они надеются, что их дальнейшие исследования принесут пользу, хотя бы для того, чтобы уменьшить давление на пчелиные популяции из-за коммерциализации и других стрессовых факторов.
С помощью искусственных опылителей медоносные пчелы, например, смогут делать то, что не могут роботы – производить мед, в то время как трутни будут заниматься опылением. Надеюсь, маленькие роботы “помогут справиться с проблемами, вызванными сокращением популяции медоносных пчел”, – говорит Мияко.
