Схема строение бабочки: Строение бабочки

Строение бабочки

Тело взрослой бабочки состоит из трех отделов: головы, груди и брюшка.

На голове хорошо заметны крупные, почти полусферические сложные глаза и пара длинных членистых антенн (усиков), отходящих от лобной части между глазами.

На нижней стороне головы располагается ротовой аппарат. У дневных бабочек это скручивающийся в спираль хоботок, образованный соединенными между собой, но не сросшимися наружными лопастями нижних челюстей (две его половинки можно легко разъединить булавкой). Через хоботок бабочка высасывает нектар с помощью похожего на кузнечные мехи глоточного насоса.

Почти всегда по сторонам хоботка располагаются 3-члениковые густо покрытые чешуйками сенсорные органы – нижнегубные щупики.

Грудь состоит из трех сегментов: передне-, средне- и заднегруди. Каждый несет по паре ног. Членистые ноги состоят из пяти сегментов: тазик, вертлуг, бедро, голень и лапка.

У бабочек ноги служат в основном для закрепления на определённом месте и только потом — для передвижения, поэтому лапки оснащены целым набором приспособлений для фиксации на разных поверхностях. У некоторых бабочек на ногах расположены вкусовые рецепторы: до того, как такая бабочка коснётся конечностью сладкого раствора, она не развернёт хоботок и к еде не приступит.

Средне- и заднегрудь несут по паре крыльев. Как и у других насекомых, они укреплены системой трубчатых образований, называемых жилками. Жилки выполняют двоякую функцию: во-первых, каркасную, во-вторых, в полости трубок проходят трахеи и нервные волокна. По форме крыльев и расположению жилок в основном происходит распознавание видов и дифференциация.

 

Брюшко примерно цилиндрическое и состоит из 10 сегментов, из которых два или три последних преобразованы в наружные половые придатки (гениталии). Форма последних широко варьирует и часто используется в качестве диагностического признака при определении видов бабочек.

Тело бабочки и придатки снаружи покрыты твердым защитным слоем (кутикулой), который в свою очередь состоит из трех слоев. Первый, тонкий и нежный — эпикутикула, второй — экзокутикула — более твердый и слит с внутренним слоем эндо-кутикулой. Последние два слоя состоят из плотной ткани, образованной хитином и полибелковыми структурами, связанными между собой химическими соединениями.

Хитин — уникальное изобретение природы, при поражающей легкости он очень прочен, нерастворим в органических растворителях и даже в щелочах. Все тело, за исключением сложных глаз, целиком покрыто волосками и щетинками.

 

У бабочек две пары крыльев — именно в них красота этих хрупких созданий. У бабочек обе пары крыльев летательные; надкрыльев, характерных для жуков и прямокрылых, нет. По природе своей крыло двухслойно и образовано верхней и нижней боковыми складками тела.

Крылья иссечены продольными и поперечными жилками, трубковидными расширениями пластинки крыла. Жилки выполняют двоякую функцию: во-первых, каркасную, во-вторых, в полости трубок проходят трахеи и нервные волокна.

По форме крыльев и расположению жилок в основном происходит распознавание видов и дифференциация.

На рисунке представлена схема жилкования крыла: Sс — субкостальная жилка, R — радиальные, М — медиальные, Сu — кубитальные, А — анальные жилки.

Крылья покрыты чешуйками, образующими на их поверхности пыльцу, — этого нет ни у каких иных представителей животного мира. Это видоизменённые волоски, имеющиеся на крыльях многих насекомых. Количество чешуек может быть очень велико — несколько сотен тысяч у некоторых видов!

Форма и назначение чешуек различны. Прежде всего существуют пигментные и оптические чешуйки, определяющие окраску крыльев. Первые содержат красящее вещество меланин и отвечают за основную расцветку. А вторые, пропуская лучи света сквозь собственную структуру, преломляют их, вызывая явления интерференции (по принципу призмы). Вот почему под разными углами освещения крылья бабочки приобретают новые цвета и оттенки. Благодаря этому крылья бабочек делаются металлически-блестящими и переливающимися — особенной красотой отличаются они у тропических бабочек.

Чешуйки, уложенные на крыле бабочки, подобно черепице на крыше дома, часто ярко окрашены и образуют линии, пятна, полосы, разводы — всё то, что называют «рисунком крыла» (см. схему ниже). Количество и расположение деталей рисунка различно даже у близких видов. Глазки, лунки, пятна и перевязи могут менять своё расположение, смещаться в несвойственные им места или просто исчезать. Таким образом в основном и определяют бабочек — ведь рисунок каждой бабочки неповторим.

Окраска крыльев самцов и самок бабочек часто совершенно различна. Это явление биологи называют половым диморфизмом в окраске. Более того, редко, но встречаются особи, сочетающие в себе крылья обоих полов: слева — с расцветкой самца, справа — самки, или наоборот. Такие генетически искажённые экземпляры носят название

«гинандроморфы».

Удивительны пахучие, или андрокониальные, чешуйки. Чтобы молекулы душистого вещества легче испарялись с поверхности крыла, кончики этих чешуек заканчиваются кисточкой волосков. В период брачных церемоний одни бабочки при встрече ищут усиками пахучие чешуйки и по их аромату выбирают своего партнёра. И расстояние не преграда: самцы находят подруг по запаху за несколько километров! Иногда запах бабочки настолько сильный, что его может ощутить и человек.

Каждое правило в природе имеет исключения. Существуют виды, у которых чешуйки остались только по краям крыльев и вдоль жилок. К таким бабочкам относятся, например, стеклянницы и бражники-шмелевидки. Их брюшко раскрашено яркими черно-жёлтыми полосами и в сочетании с прозрачными узкими крыльями делает этих насекомых похожими на ос или шмелей.

Есть, наконец, бабочки, совсем лишённые способности летать. Так бескрылыми являются самки пяденицы-обдирало, одноцветной и улиткообразной мешочниц, кистехвостов, некоторых коконопрядов. Они очень мало похожи на бабочек, скорее напоминая червячков. Поэтому встречу полов у этих видов обеспечивают крылатые самцы.

 

 

1- органы выделения, 2- средний отдел кишечника, 3- зоб, 4- сердце, 5- передний отдел кишечника, 6- толстый кишечник, 7- половые органы, 8- нервный узел, 9- мозг

Нервная система, как и у всех членистоногих, состоит из окологлоточного кольца и брюшной нервной цепочки. Внутри головы, защищенной толстым слоем хитина, находится нервный узел, утолщение нервной трубки, именуемое головным мозгом.

Пищеварительный канал берет свое начало с хоботка, разделенного на две половинки (правую и левую). Зоб служит в основном для временного хранения пищи. Иногда его называют сосательным желудком. Средний отдел состоит из желудка, насыщенного особыми железистыми клетками, продуцирующими различные ферменты, благодаря которым происходит переваривание пищи. Мышечный желудок иногда имеет особые хитиновые выросты, дополнительно измельчающие пищу. После переваривания остатки пищи поступают в заднюю кишку, передняя часть которой носит название тонкой, а из нее — в прямую кишку.

Дыхательная система представляет собой густую сеть разветвленных внутренних трубочек — трахей, по которым воздух, попадая через наружные дыхальца, доставляется непосредственно ко всем внутренним органам и тканям.

Выделительная система — это пучок тонких трубочек, так называемых мальпигиевых сосудов, расположенных в полости тела. Они на вершинах замкнуты, а основаниями открываются в кишечник.

Половая система самок состоит из двух яичников, в которых происходит образование яиц. Яичники, переходя в трубчатые яйцеводы, основаниями сливаются в единый непарный яйцевод, по которому зрелые яйца выводятся наружу. В половой системе самки имеется семяприемник — резервуар, куда поступают сперматозоиды самцов. Зрелые яйца могут оплодотворяться этими сперматозоидами. Органы размножения самца — это два семенника, переходящие в семяпроводы.

Строение бабочек | Вводная часть

Тело бабочки отчётливо разделено на три отдела: голову, грудной отдел и брюшко. Голова более или менее шаровидная с парой крупных полусферических глаз. Под бинокуляром видно, что их поверхность образуют множество отдельных фасеток, каждая из которых соответствует отдельному глазку. Сложный грызущий ротовой аппарат гусениц у бабочек преобразован в сосательную трубку — хоботок, в покое свёрнутый в спираль, и пару трёхчленистых нижнегубных щупиков.

Получать питательные вещества бабочки могут только в жидком виде. Для большинства из них такой пищей является цветочный нектар. У целого ряда семейств ночных бабочек (некоторые примитивные моли, тонкопряды, коконопряды, хохлатки, волнянки) хоботок недоразвит, и бабочки не питаются вовсе (живут сравнительно недолго за счёт питательныхвеществ, накопленных в стадии гусеницы). Усики бабочек разнообразного строения.

Рисунок 1. Усики бабочек:
1 — нитевидные; 2–3 — булавовидные; 4 — веретеновидные; 5 — гребенчатые; 6 — двугребенчатые; 7 — перистые

У самцов ночных бабочек часто развиты сильнее, чем у самок. У дневных бабочек — булавовидной формы, то есть расширяются к вершине. Грудной отдел бабочки несёт три пары членистых ног. Бабочки, как и все насекомые, шестиноги, хотя в семействах нимфалид и бархатниц передняя пара ног сильно редуцирована и не функционирует при хождении. Эти бабочки фактически четырёхногие. В редких случаях ног нет совсем (например, у многих самок мешочниц). С помощью ног бабочки передвигаются довольно успешно, но основным органом передвижения являются, конечно, крылья, расположенные по бокам грудного отдела.

Крылья бабочек по сравнению с телом велики, перепончатые, со скелетом в виде вееро-образно расходящихся жилок; покрыты хитиновыми чешуйками, которые часто скрывают жилкование. Форма крыльев очень разнообразна. Однако у большинства видов она более или менее приближается к треугольнику, и при описании бабочки у них различают три стороны, или три края (рис. 2): передний — от основания, или корня, крыла до его вершины; внешний — между вершиной крыла и его задним углом; задний — от основания до заднего угла. Величину бабочки оценивают по длине переднего крыла — расстоянию от корня крыла до его вершины. Далее в каждом видовом очерке показана именно эта величина, измеренная в миллиметрах. Поверхность крыла разделяется по меньшей мере на 4 области: прикорневую, дискальную, постдискальную и прикраевую. Центральные — дискальная и постдискальная — области нередко называют центральным полем.

Рисунок 2. Строение взрослой бабочки (имаго) и крыловые области, используемые при описании рисунка: 1 — голова; 2 — грудной отдел; 3 — брюшной отдел; 4 — усик; 5 — хоботок; 6 — глаз; 7 — ноги; 8 — дискальное пятно. I — прикорневая область; II — дискальная область; III — постдискальная область; IV — субмаргинальная область; V — передний край; VI — внешний край; VII — задний край; VIII — вершина крыла; IX — задний угол; X — корень крыла.

Жилкование крыльев у бабочек разных семейств играет важную роль при выяснении родственных отношений. Не вдаваясь в его детали, отметим наличие в системе жилок так называемой центральной ячейки (см. рис. 2), ограниченной с внешней стороны короткой поперечной (относительно остальных) жилкой. Эта ячейка важна при описании крылового рисунка многих бабочек.

Чешуйки покрывают крылья и тело бабочки подобно черепице. Они разнообразны по форме и содержат красящие пигменты, придающие окраску и определяющие рисунок. Удлинённые чешуйки по внешнему краю крыла формируют бахромку. У некоторых видов чешуйчатый покров крыльев может быть сильно разрежен и крылья оказываются в той или иной мере прозрачными: это характерно, например, для стеклянниц и бражников-шмелевидок, внешне похожих соответственно на ос и шмелей.

Окраска и рисунок крыльев достигают у бабочек исключительного разнообразия. Во многих случаях характер рисунка видо-специфичен, уникален для вида или группы видов и имеет важнейшее значение для идентификации (узнавания) вида, особенно в поле. Следует, однако, иметь в виду индивидуальную изменчивость рисунка, в большей или меньшей степени свойственную каждому виду. Известный тезис, что в мире нет двух совершенно одинаковых людей, в полной мере подходит и для бабочек.

В окраске крыла можно выделить занимающий наибольшую площадь фоновый цвет, на котором размещается рисунок. Названия отдельных элементов рисунка (пятна, точки, штрихи, лунки, краевая кайма) большей частью понятны без особых пояснений. Считаем целесообразным отметить лишь несколько специальных терминов: дискальное пятно — пятно, расположенное на поперечной жилке, то есть на внешнем крае центральной ячейки (рис. 2), у представителей семейства совок называемое «почковидным»; перевязь — широкая поперечная полоса или ряд примыкающих друг к другу пятен; глазок — округлое пятно, окаймлённое ободком другого цвета.

У ночных бабочек, почти никогда не демонстрирующих окраску и рисунок нижней стороны (испода) крыльев, эволюционное и диагностическое значение имеет только рисунок верхней стороны крыльев, причём в подавляющем большинстве случаев — только передних крыльев, поскольку задние крылья обычно полностью скрыты под передними. Для идентификации видов дневных бабочек важен рисунок как верхней, так и нижней поверхности крыльев. Виды из наиболее «трудных» групп дневных бабочек чаще всего диагностируются по деталям рисунка нижней стороны задних крыльев.

Брюшко бабочек обычно сигаровидное, длиннее груди, покрыто чешуйками и поделено на сегменты (у самцов число брюшных сегментов, видимых снаружи, на один больше, чем у самок). Внутри находятся органы пищеварения и размножения. Брюшко на вершине специализировано в связи с половой функцией. У самца конец брюшка несёт сложный копулятивный аппарат, состоящий из нескольких жёстких придатков. Строение копулятивного аппарата почти у каждого вида имеет свои характерные особенности. В некоторых случаях очень сходные внешне виды опознаются именно по копулятивным органам, которые для этой цели необходимо особым образом подготовить (препарировать).

Окрылившиеся бабочки — отнюдь не беззаботные создания, порхающие с цветка на цветок или легкомысленно прилетающие ночью на свет. Перед ними стоит глобальная задача продолжения рода, реализуемая у разных видов разными путями. Цель самца — найти самку и оплодотворить её. Цель самки — дождаться оплодотворения, а затем и созревания яиц, которые она должна будет правильно отложить. Для решения этих задан бабочкам обычно отведено 1–3 недели — именно такова продолжительность жизни большинства особей. Но нет правил без исключений, и хорошо знакомые всем павлиний глаз, многоцветница, другие настоящие нимфалиды (Nymphalinae) живут в несколько раз дольше. Эти бабочки появляются в середине лета, а становятся половозрелыми лишь после перезимовки, весной следующего года. Другую крайность представляют самцы семейства мешочниц, время жизни которых измеряется даже не днями, а считанными часами.

Самцы многих бабочек, по крайней мере дневных, появляются на свет на несколько дней раньше самок. Прежде всего им необходимо восполнить дефицит минеральных солей, в особенности натрия, необходимых для развития сперматозоидов. Эти вещества, недостаточные в вегетарианской диете гусениц, самцы получают, отсасывая и фильтруя влагу на почве, по дорогам, вблизи ручьёв, при этом часто образуя скопления на богатых солями участках.

Спустя некоторое время самцы большинства видов дневных бабочек начинают курсировать низко над травой, выискивать там недавно вышедших из куколок самок, используя главным образом своё зрение. Самцам других видов дневных бабочек, обладающих сильным стремительным полётом, свойственно так называемое территориальное поведение. Они занимают позицию, обычно на высоких травах, кустарниках или деревьях, откуда открывается широкий обзор, и планомерно атакуют всех пролетающих мимо бабочек своего цвета, выгоняют их за пределы своего участка, после чего возвращаются на «наблюдательный пост». И так до тех пор, пока из травы или с дерева не вспорхнёт ожидаемая самка. Таковы многие толстоголовки, переливницы, ленточники, нимфалиды (включая крапивницу, углокрыльницу, многоцветниц и других), перламутровка полевая и некоторые другие, шашечницы эуфидрии, многоглазки и зефиры из семейства голубянок. Махаону и подалирию помогает найти свою вторую половину врождённое стремление особей обоих полов лететь в гору, всё выше и выше, до тех пор пока они не достигают более или менее выраженной вершины.

У бабочек, как и у многих насекомых, замечательно развито «химическое чувство». Они сами вырабатывают различные химические сигналы и очень хорошо такие сигналы воспринимают. Самцы многих дневных бабочек имеют группы специализированных чешуек, обычно находящихся на передних крыльях. Эти чешуйки называются андрокониальными и выделяют характерный для вида мужской феромон, стимулирующий самок. Перед копуляцией самец подолгу порхает в нескольких сантиметрах над самкой либо садится около неё и мелко вибрирует крылышками. Варианты брачного ритуала могут варьироваться в деталях, но все направлены на получение самкой химических доказательств того, что перед ней самец именно её вида. Нередко самка отказывает самцу, показывая это брюшком, поднятым вертикально вверх.

Самки большинства ночных бабочек и летающие днем стеклянницы до своего оплодотворения также выделяют феромоны особого, специфического для вида состава. Рецепторы, воспринимающие запахи, находятся на усиках самцов, обыкновенно более перистых, чем у самок. Чем больше поверхность усиков, тем больше рецепторов и тем большая вероятность обнаружить источник сигнала. Самцы многих видов на большом расстоянии (до 0,5–1 км, иногда более) воспринимают запахи самки, реагируя на минимальные концентрации — несколько молекул феромона на 1 м³ воздуха.

Органы химического чувства расположены у некоторых видов и на ногах. Самки многих дневных бабочек, прежде чем отложить яйцо, ползают по растению, пробуя его на вкус ногами, точнее — улавливают наличие в растениях определённых важных для питания гусениц алкалоидов. Например, самка капустницы чувствует, сев на лист, горчичные алкалоиды (что характерно для крестоцветных растений — капусты и других). Есть вкус горчицы — значит, это подходящее растение и можно откладывать яйца. Она может даже сделать яйцекладку на бумажку, смазанную горчичным маслом! Голодная бабочка чувствует (ногами!) сахар в очень малых концентрациях и реагирует развёртыванием хоботка. Бабочка адмирал разворачивала хоботок, когда чувствовала растворенный в воде сахар в концентрации, соответствующей 1 чайной ложке сахара на 50 тонн воды!

Дневные бабочки активизируются с восходом солнца, хотя начинают летать обычно несколько позже, когда солнечное тепло понизит влажность воздуха, а до этого могут лишь ползать по растениям. Прежде чем встать на крыло, дневные бабочки обычно принимают солнечные ванны, располагая открытые крылья перпендикулярно к солнечным лучам, либо поднимают температуру тела мелким трепетанием крыльев.

Оптимальное время активности ночных бабочек — сумерки. После захода солнца легко увидеть, как в воздухе начинают курсировать совки, пяденицы, листовёртки, многие из которых устремляются к цветущим деревьям и кустарникам (например, черёмухе, калине, сирени). К источникам света бабочки обычно прилетают на исходе сумерек, инстинктивно, руководствуясь программой, согласно которой они должны при дневном освещении сидеть в укрытиях, а когда стемнеет, лететь из своих тёмных укрытий к местам более открытым и освещённым. Поэтому ночные бабочки летят ночью на фонари, свет которых заметен издалека. Полетав вокруг лампы, бабочки обычно хаотично рассаживаются на более или менее освещённых поверхностях. К утренним сумеркам большей частью разлетаются по своим укрытиям. Помимо света, многих ночных бабочек, из тех групп, что питаются в фазе имаго, хорошо привлекают приманки, смоченные медовыми (сахарными) растворами.

Большинство видов бабочек в условиях Южного Урала в течение года развиваются в единственной генерации. Лишь около 20–25 % наших видов имеют за год две или три генерации. Это, в частности, махаон, капустница и другие настоящие белянки, луговая желтушка, пестрокрыльница, многие настоящие голубянки, некоторые совки и хохлатки, пяденицы клеверная, четырёхлунная и некоторые другие. Несомненно есть такие виды среди молей и огнёвок, в частности те, что живут в помещениях, где способны давать за год до 4 генераций. Ряду видов бабочек для прохождения полного цикла от яйца до имаго требуется два года. Почти два года живут, например, гусеницы древоточцев, многих мешочниц и чернушек. Нередко дважды зимуют куколки бражников и хохлаток.

Зимовка каждого отдельно взятого вида проходит на определённой стадии, адаптированной к длительному переохлаждению. Перед зимовкой в организме насекомого накапливается глицерин, действующий затем в качестве антифриза. Более половины видов наших бабочек зимуют в фазе гусеницы. Причём у одних видов зимуют совсем молодые гусеницы, иногда даже не покидающие оболочки яйца, у других, наоборот, взрослые, практически готовые стать куколкой. Почти 30 % видов зимует куколкой. Таковы все наши бражники, пухоспинки, серпокрылки, сатурнии, многие хохлатки, более половины пядениц, около четверти видов совок, отдельные представители других семейств.

Не более 5 % наших бабочек перезимовывают в фазе имаго. В основном это представители семейств молей- пестрянок, плоских молей и совок. Взрослыми зимуют несколько видов листовёрток и пядениц, а также лимонницы и хорошо известные всем нимфалиды — крапивница, углокрыльница, многоцветница, павлиний глаз и траурница. Эти бабочки первыми радуют наш глаз весной, вылетая из своих зимних укрытий в апрельские оттепели, а иногда и раньше. Вслед за ними, обычно в течение мая и в начале июня, появляются виды, зимовавшие куколкой или взрослой гусеницей. В течение тёплого времени года одни виды бабочек сменяются другими по одному и тому же расписанию.

---

Бабочки 🦋 описание, особенности строения, виды, размеры, последовательность стадий развития, питание, интересные факты, представители

Описание строения

Тело бабочки разделяется на 2 больших отдела — тело и крылья. В состав тела входит голова, достаточно жестко соединенная с туловищем. Она имеет круглую форму с приплюснутым затылком. Большие глаза, которые занимают бо́льшую часть головы, имеют круглую или овальную форму, и сложное строение, которое позволяет насекомым различать некоторые цвета и хорошо воспринимать движущиеся предметы.

У многих видов имеются дополнительные глаза, которые расположены за усиками. Значение усиков состоит в том, чтобы помогать насекомым ориентироваться в пространстве, воспринимать изменения потока воздуха и улавливать некоторые запахи. Длина и строение изменяются от вида к виду.

Грудь состоит из трех частей. Первая, самая маленькая, включает в себя три пары лапок, на которых расположены шпоры, обеспечивающие чистоту усиков. Брюшко цилиндрической формы состоит из десяти сегментов в виде колец и расположенных в них дыхальцев. Крылья бабочки покрытыми мелкими чешуйками, это хорошо видно на картинке, созданной при макросъемке. Размер крыльев, цвет, строение изменяются в зависимости от принадлежности к виду.

Красота крыльев бабочки привлекает своей красотой, но окрас служит не только для привлечения внимания людей и противоположного пола среди насекомых, а еще и для защиты от хищников. Цвет крыльев позволяет слиться с окружающей средой, поэтому в зависимости от места обитания окрас будет меняться.

Виды представителей

Науке известно о 158 тысячах представителей различных видов бабочек. Только беглянки, это один из подвидов, разделен на несколько типов, отличающихся внешне рядом других особенностей:

1. Капустница. Бабочка, самцы которой имеют белый окрас с черными точками, самки — ярко-желтые. Величина составляет около 65 мм. Питаются растениями.
2. Лимонница. Представитель этого вида имеет желтый окрас, а самка — бело-зеленый. Их объединяет расположенный в центре круг красного цвета. Крылья выполнены очень необычно, с имитацией обрезанных ножницами концами. Размер ее около 55 мм.
3. Белянка горошковая. Исчезающий вид семейства. Внешние стороны крыльев окрашены в белый с серым, а внутренние стороны имеют зеленый цвет, что позволяет ей сливаться с травой.
4. Репная белянка. Схожа с бабочкой капустницей, но отличается величиной, которая составляет около 45 мм, и количеством черных пятен на крыльях. У самца 1 пятно, а у самки 2.
5. Белянка-зеленушка. Имеет белый окрас с темными пятнами и зеленым узором, питается крестоцветными, в них же она откладывает свои яйца.
6. Белянка рапсовая. Обладает белым окрасом с узором желтого цвета и явно видными прожилками. Является перелетной. На зимовку улетает в теплые края, а именно в Северную Африку.
7. Белянка Альпийская. Имеет бело — серый окрас. У самцов концы крыльев окрашены в черный цвет с белыми вкраплениями.
8. Белянка эйфема. Имеет белый цвет с желтым оттенком, по центру расположено пятно темного цвета. Нижние крылья украшает узор зеленого цвета. Является степным обитателем.
9. Боярышница. Бабочка белого цвета с явно выделенными черными прожилками. Величина ее около 60 мм.

Семейство коконопряды

Насекомые, входящие в это семейство, имеют большой или средний размер с крупным телом, которое покрыто волосками. Они больше похожи на мотыльков, их усики имеют щетинки, а передние крылья намного больше задних. К основным представителям относят:

1. Сибирский имеет средний размер, окрас желто-коричневый с белым пятном по центру, но цвет крыльев может изменяться от особи к особи и доходить до чёрного. Использует для пищи и откладки яиц хвою деревьев.
2. Кольчатый. Размер составляет около 40 мм. Имеет желто-коричневый окрас передних крыльев с двумя темными полосками. Задние крылья имеют более светлый цвет без полос. Укладывает яйца в виде кольца, за что и получила своё название. Является древесным вредителем.
3. Сосновый. Бабочка большого размера (около 80 мм) с окрасом, который походит на сосновую кору. Летает во второй половине июля. Обитает в сосновых лесах.

Обычно селятся группами на деревьях. Некоторые представители этого семейства являются вредителями.

Семейство голубянки

В природе известны пять тысяч видов этого семейства, некоторые из которых на грани исчезновения и занесены в Красную книгу. Имеют средний размер и яркий окрас, но в зависимости от вида цвет может меняться. Отличительной чертой голубянок является цветной узор на нижних крыльях в виде глазков. Не являются вредителями, наоборот, приносят пользу в виде отпугивания насекомых-вредителей.

Яркие пестрянки

Включает в себя около 1200 видов, большинство из которых обитают в тропиках. Имеют размер, варьирующийся от среднего к большому, и яркую окраску с радужным узором. Он нужен, чтобы предупредить о том, что насекомое ядовито, и при угрозе жизни будет защищаться, выделяя ядовитую жидкость, имеющую резкий запах. Среди основных представителей выделяют:

1. Адмирал. Имеет средний размер около 55 мм с бархатной поверхностью и ярким окрасом из белых пятен с красной полосой.
2. Павлиний глаз. Большая бабочка, имеющая размер до 150 мм с ярким окрасом красно-коричневого цвета с рисунком в виде глаз в уголках крыльев. Этот рисунок защищает насекомое, отпугивая врагов.
3. Махаон. Исчезающий вид бабочек. Разноцветный вид насекомых, с хвостиками на нижних крыльях, самыми привлекательными являются махаоны с желтым окрасом и чёрными пятнами и прожилками.

В качестве пищи предпочитает листья бобовых растений, что является отличительной характеристикой.

Особенности питания

В основном насекомые предпочитают употреблять в пищу пыльцу, нектар цветов, древесные соки, переспевшие фрукты, но есть и особые виды, являющиеся привередами в пище. Так, например, бражник — любитель мёда, проникает в улей и наслаждается любимой пищей. Некоторые представители семейства нимфалидов восполняют потерю влаги, употребляя в пищу мочу и пот диких и домашних животных. Некоторые тропические бабочки в качестве влаги предпочитают крокодильи слезы.

Насекомые, вовсе не имеющие ротового аппарата и живущие крайне мало, используют припасы, которые были сделаны в момент нахождения гусеницей. Некоторые виды бабочек являются настоящими вампирами. Они восполняют потерю сил за счёт употребления крови животных.

Стадии развития

Сложный жизненный цикл бабочки удивляет. Он состоит из 4 фаз. Последовательность такова:

1. Яйцо. Все начинается с него. В зависимости от разновидности, яйца бабочка откладывает на листья, ветки, хвою различных растений. Кладка может включать до 1 тыс. яиц. В яйце личинка находится от 8 до 15 дней.
2. Гусеница. Длительность этой стадии зависит от типа и условий окружающей среды и видовой принадлежности. В этот период жизни будущие бабочки имеют червеобразную форму с грызущим типом ротовой полости.
3. Куколка. Форма кокона зависит от видовой принадлежности и может быть кругом, цилиндром или овалом. В этой стадии развития у бабочки уже имеются в зачатке крылья, лапки и хоботок. В коконе она обычно проводит около 14 дней.
4. Бабочка. Продолжительность жизни бабочки может варьироваться от нескольких дней до нескольких месяцев, в зависимости от видовой принадлежности. В этой стадии насекомое способно спариваться и откладывать яйца, что и является основной задачей.

Об этих удивительных насекомых написано масса рассказов, они увлекательны за счет описания красоты. А также есть ряд интересных фактов о бабочках:

1. Размер самой маленькой из известных бабочек под названием ацетозия составляет не более 2 мм, а самой большой с названием агриппина — 30 см.
2. Бабочки потребляют пищу как слоны — через хобот, конечно, размер хобота очень мал, но сходство однозначно есть.
3. На планете известны около 165 тысяч видов этих прекрасных созданий.
4. Самая быстрая и выносливая бабочка называется махаон, в данный момент она очень редкая, но однажды это насекомое видели на Тибете на высоте 4500 метров над землей.
5. А вот самыми хитрыми являются бражники, они обладают способностью притворяться пчелиной маткой, создавая жужжание. Используя эту хитрость, они проникают в пчелиный улей и наедаются меда, который является их лакомством.
6. Вкусовые рецепторы у бабочек находятся на лапках, поэтому они питаются, садясь на пищу сверху.
7. В среду обитания бабочек входят такие разнообразные места, что лишь в условиях Антарктиды эти насекомые не способны выжить. Несмотря на своё хрупкое строение, они могут переносить даже тяжелые условия климата острова королевы Елизаветы, который находится всего в тысяче километро

Подробное строение бабочки - MicroArticles

Главной отличительной особенностью бабочек является, то, что их крылья покрыты мелкими, как пыль, чешуйками. Из-за этого их относят к отряду чешуекрылые. В отряде бабочек более 100 семейств и больше 150 тысяч видов.

Обитают бабочки везде, где есть растения, которыми могут питаться их гусеницы. Бабочки приспособились и к жаре, и к холоду. Например, в горах на высоте 2 км летают аполлон и чернушка медуза. Есть бабочки, которые освоили арктические тундры и окраины пустынь.

Но настоящий рай для бабочек – это тропические дождевые леса.

Питаются бабочки сладким соком растений – нектаром. Перелетая с цветка на цветок, участвуют в процессе опыления и помогают растениям размножаться.

Строение тела бабочки

Тело бабочки состоит из трех отделов: головы, груди и брюшка. Оно покрыто волосками, щетинками, чешуйками.

• голова
• грудь
• брюшко
• хоботок
• губной щупик
• глаз
• усик
• жилки
• переднее крыло
• заднее крыло
• сердце
• дыхальца
• задняя нога
• средняя нога
• передняя нога
• половой аппарат

На голове есть два усика, два больших глаза, хоботок и два крупных щупика.

На груди прикреплены три пары членистых конечностей и две пары крыльев.

Брюшко состоит из десяти сегментов. Внутренние органы находятся в основном в брюшке. У бабочек есть сердце. Оно похоже на длинную трубку, которая, как насос проталкивает по всему телу желтоватую, зеленоватую или бесцветную жидкость.

Дышат бабочки кислородом воздуха, который попадает в организм через отверстия на теле и поступает в тонкие трубочки – трахеи, пронизывающие все тело.

Органы чувств бабочки

Наверное, каждый задавал себе вопрос: «Как бабочки определяют вкус пищи, слышит ли бабочка, чувствует ли боль?»

Ответы на эти вопросы, я нашла в книге Николая Непомнящего из серии – «Что есть что: Бабочки».

Органы зрения

На голове у бабочки расположено два сложных глаза. Каждый глаз состоит из множества отдельных глазков. Например, один глаз бражника «мертвая голова» состоит из 25 тысяч глазков.

Каждый глазок видит крошечный участок предмета, пространства, а мозг бабочки из множества отдельных картинок складывает целостное изображение, как «мозаику».

Очень зоркие глаза у ночных бабочек.

Все бабочки видят предметы лишь на близком расстоянии, но отлично различают цвета, улавливают движение предметов и изменение их освещенности.

Ночные бабочки очень часто погибают, прилетев на свет зажженной лампы, фонаря, свечи. Это связано с те, что ночью они ориентируются по свету звезд, как по компасу. Бабочки летят постоянно под прямым углом к лучам света. А если зажженная лампа оказывается близко, то свет, который исходит от нее, сбивает бабочек с пути. Они начинают кружиться вокруг лампы, пока не наткнутся на нее.

Органы обоняния и осязания

Органами обоняния бабочкам служат усики. Чем больше размер усиков, тем лучше для бабочки. На усиках расположены чувствительные клетки сенсиллы. Например, у ночных бабочек их более 100 тысяч.

Обонятельные сенсиллы есть на губных щупиках и на задних лапках. На вкус еду, бабочка пробует ногами. Если задней лапкой бабочка попадет в раствор сахара, она сразу развернет хоботок и начнет сосать сладкую жидкость.

При помощи усиков ночные бабочки определяют запах раскрывшихся цветков и особей противоположного пола. Ученые установили, что самцы могут почувствовать самок на расстоянии 16 километров.

Большинство бабочек усиками улавливают звуковые волны и механические сотрясения.

Чувствительные волоски расположены по всему телу бабочки. К ним подходят нервные окончания, передающие сигналы в головной мозг. Поэтому любые прикосновения к ее телу быстро регистрируются в мозгу, и бабочка моментально ощущает боль.

Органы слуха

Слышат бабочки брюшком, так как «уши» расположены у них в ямочках по бокам третьего сегмента груди или первого сегмента брюшка.

«Уши» бабочек образованы тонкой кожистой перепонкой, которая натянута на кольцо. Под перепонкой находятся похожие на пузырьки трахеи, а к ним подходят нервы. Когда звуковая волна доходит до бабочки, перепонки начинают колебаться. Пузырьки трахей улавливают это колебание и передают по нервам в головной мозг, который принимает решение, что делать.

Уникальное строение крыла

Если посмотреть на бабочку, то на крыльях можно заметить сеть жилок. У каждого семейства они образуют определенный рисунок. Жилки служат механической опорой крыла. В них содержатся воздух и кровь.

Все крыло, словно черепицей, покрыто крошечными чешуйками, которые могут быть различны по размерам. На одном крыле может располагаться до 1 миллиона чешуек.

Чешуйки содержат разные пигменты . По-разному окрашенные чешуйки создают яркую и необыкновенную расцветку крыла. Красящие вещества запасают еще гусеницы, когда откармливаются на растениях.

Есть бесцветные чешуйки – это оптические чешуйки. Они преломляют белый свет и создаются различные световые эффекты: серебристые пятна и полосы у перламутровок, лазурно-голубая окраска голубянок, металлический блеск, зеленые переливы и другие.

Чешуйки не только придают различную окраску бабочке, но и облегчают ее полет, защищают ее от холода.

Развитие бабочек

Из учебника биологии 7 класса я узнала, что развитие бабочек происходит с превращением. Это значит, что любая бабочка в течение жизни проходит четыре фазы развития: яйцо, гусеница, куколка, взрослая бабочка.

Гусеница совсем не похожа на бабочку. В отличие от бабочек у гусениц всего 2, 4 или 6 простых глазков, с помощью которых они различают лишь интенсивность света. А у гусениц, которые едят древесину, живут в почве, глазков нет вовсе.

У гусениц мощный ротовой аппарат, которым они могут кусать и жевать.

Гусеницы растут быстро. В своих тканях они запасают жиры, необходимые для превращения в куколку, а потом куколки – в бабочку. Пока гусеница растет, она 5 – 6 раз линяет, так как хитиновый покров не может растягиваться. В это время она беззащитна перед врагами – птицами, хищными жуками, муравьями. Перед тем, как произойдет волшебное превращение гусеницы, она ищет место, где можно подвесить себя. Несколько дней она неподвижна, ничего не ест, хотя и толстеет. В этот период под старым хитиновым покровом вырастает новый. Но пока он лежит складками. В теле гусеницы вырабатываются специальные вещества , под действием которых старый покров растворяется, изменяются голова, ротовой аппарат, коготки на ножках, части кишечника, волоски, шипы. Затем старая кожа лопается, и гусеница выползает из нее. Новая кожа высыхает и становится прочной. Продолжительность стадии гусеницы у разных видов бабочек различна. У одних видов бабочек гусеницы зимуют – значит, живу несколько месяцев, у других окукливаются через три недели. А вот, например, гусеницы некоторых совок живу несколько лет.

Выросшие гусеницы ищут защищенное место, будет происходить окукливание.

Большинство гусениц дневных бабочек окукливаются в открытых местах – на стволах и ветвях деревьев, каменных стенах, валунах. Куколками любят лакомиться птицы, мыши. Таких куколок защищает маскирующая окраска.

Например, куколки бабочек мешочниц похожи на опавшие веточки.

Ядовитые куколки обычно ярко окрашенные – это предупреждение врагам.

Гусеницы ночных бабочек окукливаются в трещинах коры деревьев, в расщелинах камней. Другие гусеницы ночных бабочек с помощью прядильных желез вьют просторные шелковые коконы, которые окрашены так, что сливаются с природой.

Куколка долгие дни находится в абсолютной неподвижности, и в это время в ней протекают важные преобразования. Органы гусеницы преобразуются в органы бабочки. Внутри куколки все органы гусеницы полностью рассасываются и превращаются в жидкую массу. Из нее постепенно строятся органы бабочки. Изменяется ротовой аппарат, мускулатура, конечности, появляются крылья.

Постепенно покровы куколки становятся прозрачными, через них можно увидеть форму и окраску бабочки. Как только температура воздуха становится достаточной, покровы куколки рвутся по швам – на голове, на спине и вокруг усиков и на свет появляется прекрасная бабочка.

Персональный сайт - Строение

Строение.

Как у всех насекомых, тело бабочек делится на три главных отдела: голову, грудь и брюшко. Снаружи оно защищено твёрдым хитиновым покровом, образующим наружный скелет.

рис: общее строение чешуекрылых.

Голова.

Голова малоподвижная, свободная, округлой формы, с уплощённой затылочной поверхностью. Цервикальные склериты хорошо развиты, треугольные или Г-образные. Тенториум П- или (у ряда примитивных семейств, например, Agathiphagidae) Y-образной формы, у примитивных семейств (например, Micropterigidae, Eriocraniidae) также с хорошо выраженными дорсальными отростками.

Ротовые аппараты чешуекрылых разнообразны. У ряда примитивных семейств (например, Micropterigidae, Heterobathmiidae) — грызущий, с функционирующими мандибулами и развитыми жевательными лопастями максилл. У видов семейства Glossata ротовой аппарат сосущего типа — хоботок — образован сильно видоизменёнными нижними челюстями, образующими трубочку, в покое спирально свёрнутую. Хоботок состоит из двух полутрубчатых частей, которые соприкасаются краями и скрепляются заходящими друг на друга щетинками. Хоботок служит для питания жидкой пищей. Внутри него расположены мелкие чувствительные волоски, выполняющие рецепторную функцию.

Имаго ряда видов имеют редуцированные ротовые органы (например, платяная моль, Tineola biselliella), не питаются вовсе и живут исключительно за счёт запасов питательных веществ, накопленных в стадии гусеницы. Верхние челюсти у представителей отряда отсутствуют или представлены небольшими бугорками. Нижняя губа редуцирована, образует треугольный или сердцевидный валик у основания хоботка с нижней стороны. Её щупики хорошо развиты и состоят из трёх члеников.

У булавоусых бабочек и бражников на последнем членике щупиков располагается глубоко залегающая ямка, в нижней части которой находятся чувствительные рецепторы в виде конусов. Её отверстие располагается на свободном конце щупика и окружено целым рядом чешуек.

По бокам головы расположены полушаровидные, хорошо развитые, сложные, фасеточного типа глаза, состоящие из большого числа (до 27 000) омматидиев, дающих общее мозаичное изображение. Чешуекрылые способны различать цвета, но в какой мере — пока изучено недостаточно. Некоторые бабочки, например, крапивница (Aglais urticae) и капустница (Pieris brassicae), различают красный цвет, в то время как сатиры (Satyrinae) его нисколько не видят. В наибольшей степени привлекают бабочек два цвета — сине-фиолетовый и жёлто-красный. Бабочки воспринимают также ультрафиолетовую часть спектра, чувствительны к поляризованному свету и способны ориентироваться по нему в пространстве. Движущиеся объекты различают гораздо лучше неподвижных.

Кроме двух больших фасеточных глаз, у некоторых бабочек бывают ещё два точечных, или простых глазка.

Усики располагаются на теменной части головы и являются органами чувств, воспринимающими запахи и колебания воздуха. Усики также помогают удерживать равновесие при полёте. По строению различают щетинковидные, нитевидные, булавовидные, крючковатые, гребенчатые, перистые типы усиков. У самцов, отыскивающих самок по феромонам (павлиноглазки, волнянки), усики сильно разветвлены и имеют гораздо большую поверхность, чем у самок

Грудь

Грудь, как и у всех насекомых, состоит из трёх сегментов: переднегруди, среднегруди и заднегруди — несущих три пары ног и две пары крыльев. Переднегрудь значительно меньше крылоносных сегментов (средне- и заднегруди), её тергит обычно несёт пару обособленных пластинок (патагии), наиболее развитых, главным образом, у представителей семейства совки.

Тегулы (подвижно сочленённые пластинки в основании крыльев) среднегруди мощно развиты, покрыты чешуйками, почти полностью прикрывают основания передних крыльев и хорошо заметны, в отличие от большинства отрядов насекомых.

Строение ног большинства бабочек типично для насекомых, они ходильные или бегательные. Тазики крупные, соединение их с грудью малоподвижное, свободная часть ноги включает вертлуг, бедро, голень и лапку (у большинства видов все лапки пятичлениковые с парой коготков на конце). К специфическим особенностям отряда следует отнести характерную формулу шпор (1—2—4) — подвижно сочленённых с голенями шипов. Посередине передних голеней как правило, располагается одна шпора — т. н. эпифиз, используемый для чистки усиков. Средние голени несут на своей вершине одну пару шпор, а задние — две пары, которые располагаются посередине и на вершине голени. У некоторых групп бабочек часть шпор редуцирована. У представителей немногих групп ноги подвергаются более или менее значительной редукции: у самцов тонкопряда Hepiolopsis hecta задние лапки редуцированы, а задние голени лопатообразно расширены и несут пахучие чешуйки. Почти полностью редуцированы ноги самок некоторых мешочниц (Psychidae). У некоторых дневных бабочек в той или иной степени редуцированы передние ноги, у голубянок — менее значительно, у нимфалид — до полной утраты способности к хождению, в результате чего эти бабочки передвигаются на четырёх ногах (средних и задних). У большинства видов на лапках располагаются вкусовые рецепторы — видоизменённые сенсиллы

Крылья

Крыльев две пары, перепончатые, с небольшим количеством поперечных жилок.

Жилкование крыльев играет важную роль в систематике бабочек на различных уровнях, от вида до подотряда. Ранее, многие энтомологи разделяли всех чешуекрылых на Homoneura (с приблизительно одинаковыми по форме и жилкованию передними и задними крыльями) и Heteroneura (с уменьшенным количеством радиальных жилок на заднем крыле и часто — значительно отличающимися по размерам и форме передними и задними крыльями). Эти названия и сейчас сохраняются для обозначения нетаксономических групп в пределах отряда.

Схемы строения и жилкования крыла бабочек

 

У самцов крылья всегда вполне развиты, у самок представителей ряда семейств — листовёртки (Tortricidae), Oecophoridae, волнянки (Lymantriidae), медведицы (Arctiidae), пяденицы (Geometridae) — встречаются отдельные случаи частичной или полной редукции, а в семействе Мешочницы (Psychidae) бескрылы самки большинства видов. У Pterophoridae крылья расщеплены на линейные, перистые лопасти.

По участию крыльев и их мускулатуры в процессе полёта чешуекрылых относят к бимоторным и переднемоторным. Бимоторность — в одинаковой степени развитие обеих пар крыльев и приводящие их в движение мышц. Переднемоторность — объединение и содружественность в работе передних и задних крыльев. В ходе такого объединения возникает функциональная двукрылость — обе пары крыльев функционируют как одна. При этом во время полёта основная нагрузка приходится на переднюю пару крыльев, что порой приводит к ослаблению задней пары.

Сцепочный аппарат крыльев у низших групп образован выступом сзади у основания переднего крыла, который выступает поверх переднего края заднего крыла. У высших групп бабочек этот же эффект достигается с помощью щетинки или пучка щетинок, располагающихся у переднего края заднего крыла. Большинство видов булавоусых бабочек лишены такого «крепления», и скреплению крыльев способствует выступающий вперёд край задних крыльев, на который заходит край верхних крыльев.

У представителей подотряда разнокрылых бабочек большее значение в полёте приобретает передняя пара крыльев, а задняя пара часто уменьшается в размерах и теряет часть жилок. Соответственно происходит усиление среднегрудного сегмента и его мускулатуры, тогда как заднегрудной ослабляется.

Крылья, как правило, полностью покрыты чешуйками, которые представляют собой видоизменённые щетинки. Чешуйки имеют разнообразную форму, но чаще всего бывают плоскими. В их основании находится короткий стебелёк, которым чешуйка прикрепляется в углублении крыла, называемом мешочком чешуйки. На конце стебелька имеется расширение, входящее во внутреннюю часть мешочка. Часто в стебельковой части чешуйки находятся выемки (синусы), имеющиеся исключительно у булавоусых бабочек, в то время как разноусых чешуйки цельнокраевыми. Однако чешуйки на нижней стороне крыльев булавоусых бабочек также являются цельнокраевыми. По краю крыла бабочек обычно располагаются узкие волосовидные чешуйки, нередко с разветвлёнными вершинами, образующие так называемую бахромку, в середине крыла — более широкие. Тонкое строение чешуек играет важную роль в макросистематике чешуекрылых. Чешуйки располагаются не только на крыльях, но и по телу бабочки. Так, у булавоусых бабочек чешуйки на груди мелкие, неправильной формы, с заострённым краем. Грудные чешуйки прочих групп крупнее, одинаковой формы и размера. Чешуйки, покрывающие ноги, продольные и мелкие. Часто чешуйки имеют продольную ребристость, обусловленную выступающими хитиновыми трёхгранными канальцами.

Брюшко

Брюшко у бабочек удлинённое, цилиндрической формы, у самцов тоньше и иногда несколько уплощённое с боков. Тергиты и стерниты примерно одинаковы по величине, дыхальца расположены на мембранозных плеврах. В состав брюшка, как и у остальных насекомых, входит десять сегментов, причём I и II сегменты обычно более или менее редуцированы, а X сегмент нередко бесследно сливается с IX. IX—X сегменты самцов несут копулятивные придатки, а XVIII—X сегменты самок преобразованы во в той или иной степени развитый телескопический яйцеклад.

Ряд семейств бабочек, например, огнёвки (Pyralidae) и совки (Noctuidae), обладают своеобразным органом слуха — так называемыми тимпанальными органами, которые представляют собой затянутые мембраной углубления заднегруди или первых сегментов брюшка, снабжённые механорецепторами. Распространяющиеся в воздухе звуковые колебания заставляют мембрану вибрировать, что вызывает возбуждение соответствующих нервных центров. Данные органы способны воспринимать ультразвуковые колебания от 10 до 100 кГц

Внутренние органы

Внутреннее строение бабочек в целом типично для насекомых, за исключением нескольких характерных черт. В пищеварительном тракте имаго пищевод расширен, образуя зоб, мышечный желудок редуцирован. Единственный фермент, выделяемый пищеварительной системой имаго некоторых чешуекрылых — инвертаза.

Мужские репродуктивные органы состоят из двух дольчатых семенников, которые заключены в один общий, ярко окрашенный мешочек, из двух семяпроводов, местами образующих расширения (семенные пузырьки) и соединённых в один общий семяизвергательный канал, который открывается в основании выворачивающегося эндофаллуса или везики, заключённой внутрь склеротизованного копулятивного органа.

Женские органы размножения состоят из двух яичников с 4—5 (у примитивных видов — 20-ю) яйцевыми трубочками каждый, парных яйцеводов, объединяющихся в общий яйцевод, открывающийся наружу яйцевыводным отверстием. У Ditrysia, составляющих большинство бабочек, имеется также отдельное копулятивное отверстие, ведущее в копулятивную сумку, проток которой соединяется с общим яйцеводом в месте впадения семяприёмника (сперматеки) и придаточных желез. У Exoporia (Hepialidae) копулятивное и яйцевыводные отверстия также обособлены, но соединены желобком на брюшной поверхности тела. Наконец, у монотризных чешуекрылых копулятивное отверстие соединено с яйцевыводным.

Строение копулятивного аппарата у каждого вида имеет свои характерные особенности, и в некоторых случаях близкие формы, которые тяжело отличаются по внешним признакам, могут быть распознаны именно по копулятивным органам самцов.

размножение, питание, строение и основные подвиды : Labuda.blog

Поражают воображение красотой и разнообразием самые воздушные создания на Земле — бабочки. Особенно они завораживают людей своей окраской. Многие своей цветовой палитрой напоминают павлиний хвост или пестрый веер. Это живое существо никогда не вызывает отвращения. Ни с чем не сравним изящный и легкий полет бабочки! С ней ассоциируется весна, красота и вечность. Бабочка — это символ счастья, верности, любви, бессмертия. По-другому их еще называют чешуекрылыми. Биологи выделяют следующие близкие отряды насекомых: бабочки, равнокрылые, двукрылые, блохи. Вам будет интересно узнать об особенностях этих чудесных насекомых.

Отряд бабочки, или чешуекрылые

Чешуекрылые являются самой крупной группой насекомых из типа членистоногие животные. Характерная особенность всех представителей отряда бабочек — чешуйчатый разноцветный покров тела и крыльев. Эти чешуйки являются не чем иным, как видоизмененными волосками. Они имеют различный окрас, могут составлять сложные и причудливые рисунки. Эти узоры служат маскировкой, скрывающей насекомое или сигнализирующей о несъедобности. Для большинства видов рисунки на крыльях имеют опознавательный характер, чтобы особи одного вида могли узнавать друг друга.

Еще одним опознавательным признаком у отряда бабочек выступает сосущий ротовой аппарат в виде длинного трубчатого хоботка. Для приема пищи бабочка выдвигает длинный хоботок, погружает его в глубь цветка и всасывает нектар.

Основным источником пищи для отряда бабочек является нектар цветов, поэтому их считают основными опылителями цветковых растений. Существует мнение, что с появлением на Земле цветов возникли бабочки.

Размножение бабочек

Всем известно, что бабочки бывают ночные и дневные. Эти насекомые проходят в процессе развития полное превращение. Сначала они откладывают яйца, из них вылупляются личинки, совершенно непохожие на взрослых особей. Это гусеницы. С помощью слюнных желез гусеницы выделяют слюну и шелковые нити. Именно из них гусеницы плетут себе кокон для куколки. Гусеница превратится в нее, пройдя несколько линек. Через некоторое время из куколки вылетает взрослая бабочка (имаго). Самая большая продолжительность жизни имаго — несколько месяцев.

Особенности питания

Пищей для гусениц являются растения. Но некоторые виды можно назвать хищниками и паразитами. Основным питанием взрослых бабочек является нектар, сок растительного или животного происхождения. У некоторых видов бабочек хоботок вообще не развит, они не питаются, поэтому живут несколько часов или дней.

Годовой цикл развития бабочки разный, в зависимости от вида. Чаще всего за год бабочки дают одно поколение. Встречаются виды, дающие и по две-три генерации в год.

Индивидуальность строения

Чешуекрылые могут иметь размеры от 2 мм до 15 см. Самой маленькой бабочкой считается моль-малютка, которая обитает на Канарских островах. Самым крупным видом является парусник Маака, который распространен в Европе.

Как и другие насекомые, бабочки имеют брюшко, голову и грудь. Наружный скелет представляет собой прочный хитиновый покров. У бабочек имеется две пары крыльев с видоизмененными волосками-чешуйками. Именно с помощью этих чешуек крылья приобретают рисунок и окрас. Бабочки могут летать на длительные расстояния. Эти насекомые бывают двух полов.

Отряды насекомых: бабочки, равнокрылые, двукрылые, блохи

Сегодня насчитывается около 150 000 видов чешуйчатых, которые обитают на всех материках, кроме Антарктиды. Особенно ярко окрашенными бабочками богаты тропические области. Кроме бабочек существует еще несколько похожих отрядов насекомых: равнокрылые, двукрылые, блохи. Предлагаем познакомиться с основными представителями каждого отряда:

1. Равнокрылые. Насчитывается более 30 000 видов. Сюда относятся цикады, белокрылки, листоблошки, червецы, тли, галлицы, щитовки. Все они относятся к сосущим насекомым, которые питаются соком растений. Они имеют колюще-сосущий рот наподобие хоботка. Почему же их называют равнокрылыми? Природа наделила их двумя парами прозрачных крыльев — передними и задними.
2. Двукрылые. К этому отряду относится миллион видов. Они возникли еще более 100 млн лет назад. Всем знакомы укусы комаров и надоедливых мух. У них наблюдается наличие передней пары крыльев. Их задние крылья можно назвать небольшими придатками — жужжальцами, поддерживающими равновесие во время полета.

   

3. Блохи. Насчитывается больше 1000 видов. Это небольшие насекомые без крыльев и со сплющенными боками. Размер блох — от 1 до 5 мм. У них большое брюшко и ноги, но маленькая грудь и голова. Они имеют скользкое и гладкое тело, усеянное щетинками и волосками. Все это для того, чтобы легче передвигаться по шерсти животных, где обитают блохи. Взрослая блоха — это кровосос, который паразитирует на птицах и млекопитающих.

В природе и жизни человека чешуекрылые имеют большое значение. Ведь бабочки прекрасно опыляют растения. Многие крупные бабочки, такие как махаон, аполлон, просто завораживают своей красотой. Они становятся экспонатами многих энтомологических коллекций.

Из чего состоит тело бабочки?

Тело всех бабочек покрыто щетинками, волосками и чешуйками и состоит из трех отделов: головы, груди и брюшка. На голове бабочки есть два усика, два больших глаза, хоботок и два губных щупика.
Грудь состоит из трех сросшихся сегментов, или члеников, и к каждому с помощью суставов прикреплена пара членистых ног. Два передних крыла прикреплены к среднему сегменту груди, а два задних — к заднему. Когда бабочка летит, ее переднее и заднее крылья сцепляются и движутся как одна плоскость. Брюшко состоит из десяти сегментов. Два последних преобразованы у самцов в половые органы, а у самок — в яйцеклад.

Внутренние органы бабочки находятся в основном в брюшке. Ее сердце представляет собой длинную трубку, которая тянется вдоль всего тела. Оно, словно насос, толкает желтоватую, зеленую или бесцветную кровь.

1 — голова;
2 — грудь;
3 — брюшко;
4 — хоботок;
5 — губной щупик;
6 — глаз;
7 — усик;
8 — жилки;
9 — переднее крыло;
10 — заднее крыло;
11 — сердце;
12 — дыхальца;
13 — задняя нога;
14 — средняя нога;
15 — передняя нога;
16 — половой аппарат.

Как работают бабочки | HowStuffWorks

Функционирование тела бабочки во многом зависит от погоды. Сильный ветер и капли дождя могут повредить крылья бабочки. Поскольку у бабочек нет возможности исправить повреждение крыльев, они обычно находят укрытие, когда чувствуют изменения погоды, которые сигнализируют о приближающемся шторме. Но температура может быть даже большей угрозой, чем дождь или град.

Тела бабочек лучше всего работают при внутренней температуре около 82 градусов по Фаренгейту (28 градусов по Цельсию).Бабочки вообще не могут двигать мышцами крыльев, если им становится слишком холодно, а это означает, что они не могут искать пищу или спасаться от хищников. Многие бабочки используют цвета своих крыльев в качестве предупреждения для хищников - они быстро вспыхивают яркими цветами или яркими, похожими на глаза рисунками, чтобы напугать хищника, а затем улетают. Бабочки также могут показывать свой цвет, чтобы предупредить хищников об их химической защите , такой как токсины или вещества с неприятным привкусом. В очень холодную погоду бабочки этого делать не могут.

Объявление

В отличие от млекопитающих, которые обычно могут поддерживать стабильную температуру при любых температурах, кроме экстремальных, бабочкам приходится использовать свое окружение, чтобы управлять теплом своего тела. А согреться бывает непросто. Ночью бабочки устраиваются на ночлег или укрываются, чтобы защитить себя от понижения температуры, но днем ​​- совсем другое дело.

В течение дня вы можете увидеть бабочек , купающихся с распахнутыми крыльями, чтобы поймать тепло солнца.При более низких температурах бабочки также могут использовать свои крылья в качестве отражателей, частично открывая их, чтобы сосредоточить солнечный свет на грудной клетке, где прикрепляются мышцы крыльев. Иногда бабочки отдыхают на теплых камнях, чтобы впитать тепло снизу. Если погода становится слишком теплой, бабочка может сложить крылья и устроиться так, чтобы солнце попадало на узкий край крыльев, а не на широкую сторону.

Иногда солнце не дает достаточно тепла, чтобы заставить бабочку двигаться.Когда это происходит, бабочка может двигать крыльями крошечными шагами в каждом направлении, постепенно согревая мышцы. Это движение очень похоже на то, как ваше тело дрожит в холодную погоду, чтобы согреться. В конце концов, мышцы бабочки нагреваются, и она может летать.

Бабочка не может перестать беспокоиться о температуре, когда она находится в воздухе. Тела бабочек холодеют, когда их пронизывает прохладный ветерок, как остывает горячая ложка супа, если подуть на ее поверхность.Вот почему в очень прохладные дни бабочки часто летают короткими стремительными стаями. Бабочка согреется, пока не будет готова к полету, быстро переместится к следующему цветку или месту купания и снова начнет согреваться.

Не все путешествия бабочек включают короткие перелеты от цветка к цветку. Более 200 видов бабочек мигрируют на большие расстояния. Самая известная из них - бабочка-монарх, которая совершает свой путь к местам зимовки в Калифорнии и Мексике в несколько этапов с участием нескольких поколений бабочек.

.

Структуры бабочек - Большая химическая энциклопедия

Неожиданно рентгеноструктурный анализ темно-зеленой гигроскопической тетрабутиламмониевой соли 5 // - дибенз [6, /] азепина показал, что потенциально антиароматический анион 5 // - дибенз-азепина имеет менее выраженную неплоскую структуру типа бабочки. (161 ° против 144), чем 5H-дибенз [6, /] азепин.243 ... [Pg.208]

Правило 8V + 2 было полностью подтверждено расчетными геометриями основного состояния тетрамеров в Таблице 2 [7] , Кластер (10е) является линейным [11].Кластер Si / "(18e) имеет структуру типа" бабочка "(Dp [18], ... [Pg.298]

) Кроме того, структура типа" бабочка "(рис. 11), которая содержит два атома олова в димерном представлении [n- BuSn (OH) (02P (CgHii) 2) 2] 2 возникает в той же реакции, что и куб (Kumara Swamy, KC Day, ... [Pg.479]

Путем небольшой модификации синтетической процедуры, описанной в уравнении ( 35), боковая сторона блока P2, связанная с двумя комплексными фрагментами Ni °, может быть получена в соответствии с уравнением (36) (1060). Рентгеновская кристаллография показывает структуру бабочки с d (P = P) = 2.121 (6) A 2 48 ... [Pg.509]

Определенные органические лиганды, такие как ацетилены и аллены, могут вызывать раскрытие тетраэдра с образованием сложенного ромба, который обычно классифицируется как структура бабочки (рис. 17) . Эта структура бабочки также довольно неожиданно обнаружена для аниона [Fe4 (CO) 13H] 178, как показано на рис. 18. [Pg.30]

Butterfly. В то время как Tl2Te22- имеет (2) (1) + (2) (4) + 2 = 12 скелетный счетчик электронов, изоэлектронный и изолобальный с нейтральным циклобутадиеном, он претерпевает различные ян-теллеровские искажения по сравнению со структурой бабочки, обсуждаемой Бумсом и Корбетт [81].[Стр.20]

Тетраэдрическая геометрия прекурсора [Fe4 (CO) i3] 2 утрачена и заменена структурой бабочки. Связь Fe2-Fe3 составляет тело бабочки, а треугольники FelFe2Fe3 и Fe4Fe2Fe3 составляют крылья. Видно, что атом углерода карбида расположен посередине между кончиками двух крыльев. [Pg.433]

Для этого к тетраэдру нужно добавить два дополнительных электрона, чтобы все электроны оставались спаренными. В ногах это общий принцип. Добавление электронов в закрытый комплекс открывает структуру, превращая ее в одну или более низкую симметрию.Структура бабочки получается при удалении ребра из тетраэдра. [Pg.415]

Если мы добавим два электрона к структуре бабочки, еще один край удлиняется (еще одна связь разрывается), и мы получаем квадратную плоскость. [Pg.415]

Рис. 1 Структурные отношения между сердечниками (a) (p3-X) сердечника 8M4 (6 м), (b) (p-OPr) 8Mo4Cl4, (c) бабочки Mo4Br4 OPr) g структура, и (d) структура бабочки [Mo4In] 2 ...

Также были приготовлены различные олигомеры с новыми барабанными и лестничными структурами.Они имеют формулы [R Sn (0) 02CR] 6 и [(R Sn (0) 02CR) 2 R Sn (02CR) 3 2 и содержат четырех- и шестичленные кольца. Их можно синтезировать реакцией оловянной кислоты с карбоновой кислотой, но также можно использовать реакцию RSnCl3 с серебряной солью карбоновой кислоты. Если вместо карбоновой кислоты использовать дифенилфосфиновую кислоту или дициклогексилфосфиновую кислоту, получаются блокированные кислородом кластеры или кубические структуры и структуры бабочки.69 ... [Pg.285]

Шарнирная структура бабочки (а) демонстрируется Ru5C (CO) 16, а структура бабочки (б) найдена для Os5 (CO) 19.Они имеют значения N 7 и 6 соответственно, что соответствует количеству связей M-M в каждом случае. [Pg.316]

В терминологии, используемой в правилах Уэйда1 ", 60-электронный тетраэдрический кластер [HFeRu3 (CO) i3] считается клозо-разновидностью (XXIX), а 62-электронная структура открытой бабочки [HFe4 ( CO) 13] считается разновидностью нидо (XXX). Различие в структуре связано с тем фактом, что одна из групп CO является донором 2 электронов в первом и донором 4 электронов во втором [стр.46]

---

.

Все о бабочках | Кафедра садоводства

Все о бабочках

Индекс
Что такое бабочка?
В чем разница между бабочкой и молью?
Какой жизненный цикл у бабочки?
Какие виды активности бабочек обычно наблюдаются?
- кормление
- грелка
- лужа
- патрулирование и усаживание
- спаривание
- откладка яиц
- гибернирование
- миграция
- заметка о камуфляже
Слова бабочки (глоссарий)

Назад на главную страницу Садоводства бабочек

Примечание: слова, подчеркнутые в тексте, определены в разделе «Слова-бабочки» или в глоссарии.

Что такое бабочка?

Бабочки - это взрослая летающая стадия некоторых насекомых, принадлежащих к отряду или группе чешуекрылых. Бабочки тоже относятся к этой группе. Слово Lepidoptera по-гречески означает «чешуйчатые крылья». Это название идеально подходит насекомым этой группы, потому что их крылья покрыты тысячами крохотных чешуек, наложенных рядами. Чешуйки, которые расположены в красочных узорах, уникальных для каждого вида, - вот что придает бабочке красоту.

Как и все другие насекомые, у бабочек шесть ног и три основные части тела: голова, грудная клетка (грудь или средняя часть) и брюшко (конец хвоста). Также у них есть две антенны и экзоскелет.

Вернуться к оглавлению

Разница между бабочкой и молью?

И бабочки, и мотыльки принадлежат к одной группе насекомых под названием Lepidoptera. В общем, бабочки отличаются от мотыльков следующим образом: (1) У бабочек обычно булавовидные усики, а у бабочек - пушистые или перистые.(2) Бабочки обычно активны в дневное время, в то время как большинство бабочек активны ночью. (3) Когда бабочка отдыхает, она держит крылья вертикально над своим телом. Бабочки же отдыхают, расправив крылья. Однако бабочки будут греться с распростертыми крыльями. (4) Бабочки обычно имеют более яркий цвет, чем мотыльки, однако это не всегда так. Есть очень красочные бабочки.

Вернуться к оглавлению

Жизненный цикл бабочки

Жизненный цикл состоит из этапов, которые живой организм проходит в течение своей жизни от начала до конца.В течение своего жизненного цикла бабочка претерпевает процесс, называемый полной метаморфозой . Это означает, что бабочка полностью меняется от ранней личиночной стадии, когда она становится гусеницей, до последней стадии, когда она становится красивой и грациозной взрослой бабочкой. Жизненный цикл бабочки состоит из четырех стадий: яйца , личинки , куколки и взрослой особи .

Первой стадией жизненного цикла бабочки является яйцо или яйцеклетка .Яйца бабочек крошечные, различаются по цвету и могут быть круглыми, цилиндрическими или овальными. Самка бабочки прикрепляет яйца к листьям или стеблям растений, которые также служат подходящим источником пищи для личинок, когда они вылупляются.

Личинка или гусеница , вылупившаяся из яйца, является второй стадией жизненного цикла. Гусеницы часто, но не всегда, имеют несколько пар настоящих ног вместе с несколькими парами ложных ног или ложноногих .Основное занятие гусеницы - это еда. У них ненасытный аппетит, они почти постоянно едят. По мере того как гусеница продолжает есть, ее тело значительно увеличивается. Однако жесткая внешняя оболочка или экзоскелет не растет и не растягивается вместе с увеличивающейся гусеницей. Вместо этого старый экзоскелет сбрасывается в процессе, называемом линька , и заменяется новым экзоскелетом большего размера. Гусеница может пройти от четырех до пяти линек, прежде чем превратиться в куколку.

Третья стадия известна как куколка или куколка .Гусеница прикрепляется к ветке, стене или какой-либо другой опоре, и экзоскелет раскрывается, обнажая куколку. Куколка свисает, как небольшой мешочек, пока не завершится превращение в бабочку. Сторонний наблюдатель может подумать, что из-за того, что куколка неподвижна, на этой «стадии покоя» происходит очень немногое. Однако именно внутри раковины куколки структура гусеницы разрушается и перестраивается на крылья, тело и ноги взрослой бабочки.Куколка не питается, а получает энергию от пищи, съеденной личинками. В зависимости от вида стадия куколки может длиться всего несколько дней или более года. Многие виды бабочек зимуют или зимуют куколками.

Четвертая и последняя стадия жизненного цикла - это взрослый . Как только оболочка куколки раскалывается, бабочка появляется. В конечном итоге он спаривается и откладывает яйца, чтобы начать цикл заново.Большинство взрослых бабочек проживут всего неделю или две, в то время как некоторые виды могут жить до 18 месяцев.

Изображения в этом разделе показывают жизненный цикл черного ласточкиного хвоста на одном из растений-хозяев, фенхеле. Изображения взяты из публикации Kentucky Cooperative Extension Service Publication FOR-98 «Привлечение бабочек с помощью местных растений» Томаса Дж. Барнса.

Вернуться к оглавлению

Деятельность бабочек

Бабочки - сложные существа. Их повседневная жизнь может быть охарактеризована множеством занятий.Если вы наблюдательны, вы можете увидеть бабочек, участвующих во многих из следующих действий. Чтобы понаблюдать за некоторыми видами деятельности, такими как гибернация, может потребоваться некоторая детективная работа. Чтобы понаблюдать за другими занятиями, такими как купание, купание в лужах или миграция, вам необходимо оказаться в нужном месте в нужное время. Ведите журнал активности и смотрите, сколько разных бабочек участвует в каждом занятии. Информация с отдельных страниц бабочек может дать вам некоторые подсказки относительно того, где (или на каких растениях) могут происходить некоторые из этих действий.

Вернуться к оглавлению

Кормление

На стадии личинки или гусеницы и взрослой бабочки пищевые предпочтения сильно различаются, в основном из-за различий в ротовой части. Оба типа продуктов должны быть доступны, чтобы бабочка завершила свой жизненный цикл.

Гусеницы очень разборчивы в том, что они едят, поэтому бабочка-самка откладывает яйца только на определенные растения. Она инстинктивно знает, какие растения будут подходящей пищей для голодных гусениц, которые вылупляются из ее яиц.Гусеницы мало двигаются и могут провести всю свою жизнь на одном растении или даже на одном листе! Их основная цель - съесть как можно больше, чтобы они стали достаточно большими, чтобы окукливаться. Гусеницы имеют жевательные части рта, называемые челюстями , , которые позволяют им есть листья и другие части растений. Некоторые гусеницы считаются вредителями из-за вреда, который они наносят посевам. Гусеницам не нужно пить больше воды, потому что они получают все необходимое от растений, которые едят.

Взрослые бабочки также избирательны в том, что они едят. В отличие от гусениц, бабочки могут бродить и искать подходящую пищу на гораздо более широкой территории. В большинстве случаев взрослые бабочки способны питаться только различными жидкостями. Они пьют через трубчатый язык, который называется хоботок . Она разматывается, чтобы потягивать жидкую пищу, а затем снова свертывается спиралью, когда бабочка не ест. Большинство бабочек предпочитают цветочный нектар, но другие могут питаться жидкостями, содержащимися в гниющих фруктах, иле с деревьев и в навозе животных.Бабочки предпочитают кормиться на солнечных местах, защищенных от ветра.

В недавнем исследовании кафедры энтомологии Университета Кентукки сравнивалось четыре широко доступных сорта циннии с точки зрения их привлекательности для бабочек. Щелкните здесь *** FIX LINK ***, чтобы увидеть результаты их исследования и перепечатку их результатов, опубликованных в журнале Journal of Environmental Horticulture.

Вернуться к оглавлению

Горит

Бабочки - хладнокровные , что означает, что они не могут регулировать температуру своего тела.В результате температура их тела изменяется вместе с температурой окружающей среды. Если им становится слишком холодно, они не могут летать и должны разогреть мышцы, чтобы возобновить полет. Бабочки могут летать, пока температура воздуха составляет от 60 до 108 ° F, хотя лучше всего при температуре от 82 до 100 ° F. Если температура упадет слишком низко, они могут поискать светлый камень, песок или лист в солнечном месте и погреться. Бабочки греются с распростертыми крыльями, чтобы впитать солнечное тепло.

Вернуться к оглавлению

лужа

Когда бабочкам становится слишком жарко, они могут направиться в тень или в прохладные места, такие как лужи.Некоторые виды собираются в неглубоких грязевых лужах или на влажных песчаных участках, потягивая богатую минералами воду. Обычно в лужах больше самцов, чем самок, и считается, что соли и питательные вещества в лужах необходимы для успешного спаривания.

Вернуться к оглавлению

Патрулирование и высадка

Есть два метода, которые самец бабочки может использовать для поиска самки. Он может патрулировать или летать над определенной областью, где активны другие бабочки.Если он увидит возможного помощника, он прилетит, чтобы рассмотреть его поближе. Или, вместо этого, он может сидеть на высоком растении в районе, где могут присутствовать самки. Если он заметит вероятного партнера, он бросится на разведку. В любом случае, если он найдет подходящую самку, он начнет брачный ритуал. Если вместо этого он найдет другого самца, может начаться ожесточенная драка.

Вернуться к оглавлению

Соединение

У самца бабочки есть несколько методов определения, нашел ли он самку своего вида.Один из способов - на глаз. Самец будет искать бабочек с крыльями правильного цвета и рисунка. Когда самец видит потенциального партнера, он подлетает ближе, часто позади или над самкой. Подойдя ближе, самец выделяет особые химические вещества, называемые феромонами , при этом он взмахивает крыльями немного чаще, чем обычно. Самец может также исполнять специальный «танец ухаживания», чтобы привлечь самку. Эти "танцы" состоят из схем полета, характерных для этого вида бабочек. Если женщина заинтересована, она может присоединиться к танцу мужчины.Затем они будут спариваться, соединившись концом за концом на животе. В процессе спаривания, когда их тела соединяются, самец передает сперму самке. Когда яйца позже проходят через яйцекладочную трубку самки, они оплодотворяются спермой. Самец бабочки часто умирает вскоре после спаривания.

Вернуться к оглавлению

Яйценоскость

После спаривания с самцом бабочка-самка должна отправиться на поиски растения, на котором откладывает яйца.Поскольку гусеницы, которые вылупятся из ее яиц, очень разборчивы в том, что они едят, она должна быть очень разборчивой при выборе растения. Она может распознать нужный вид растения по цвету и форме листьев. На всякий случай, однако, она может бить по листу ногой. Это царапает поверхность листа, вызывая характерный запах растения. Убедившись, что она нашла правильный вид растений, она приступает к откладыванию яиц. Откладывая яйца, они оплодотворяются спермой, которая хранилась в ее теле с момента спаривания.Некоторые бабочки откладывают одно яйцо, а другие могут откладывать яйца группами. Липкое вещество, вырабатываемое самкой, позволяет яйцам прилипать к месту, где бы она ни откладывала, либо на нижней стороне листа, либо на стебле.

Вернуться к оглавлению

Спящий режим

Бабочки хладнокровны и в активном состоянии не переносят зимних условий. Бабочки могут пережить холодную погоду, зимуя в защищенных местах. Они могут использовать очищенную кору деревьев, многолетних растений, бревен или старых заборов в качестве мест для зимовки.Они могут впадать в спячку на любой стадии (яйцо, личинка, куколка или взрослая особь), но обычно каждый вид спит только на одной стадии.

Вернуться к оглавлению

Переход

Еще один способ, которым бабочки могут избежать холода, - это мигрировать в более теплые регионы. Некоторые мигрирующие бабочки, такие как нарисованная дама и бабочка-капуста, летают всего несколько сотен миль, в то время как другие, такие как монарх, преодолевают тысячи миль.

Монархи считаются борцами за миграцию бабочек на дальние расстояния, преодолевая расстояние в 4000 миль в оба конца.Они начинают свой полет до наступления осенних холода, направляясь на юг из Канады и северных штатов. Монархи мигрируют в более теплый климат Калифорнии, Флориды и Мексики, совершая путешествие за два месяца или меньше и попутно питаясь нектаром. По прибытии в южный пункт назначения они проведут зиму, отдыхая перед обратным рейсом. Немногие из первых взрослых действительно завершают поездку домой. Вместо этого самки спариваются и откладывают яйца по пути, а их потомство завершает это невероятное путешествие.

Вернуться к оглавлению

Камуфляж

На бабочек и гусениц охотятся птицы, пауки, ящерицы и различные другие животные. Будучи практически беззащитными перед многими из этих голодных хищников, чешуекрылые разработали ряд пассивных способов защиты. Один из способов - сделать себя незаметными с помощью камуфляжа.

Гусеницы могут быть окрашены в защитный цвет или иметь структуры, которые позволяют им, казалось бы, исчезать на заднем плане.Например, многие гусеницы зеленого цвета, что затрудняет их обнаружение, поскольку они сливаются с листом-хозяином. Некоторые личинки, особенно обитающие в тропиках, имеют сходство с птичьим пометом, что делает их непривлекательными для потенциальных хищников.

Окраска и узор крыльев бабочки могут позволить ей сливаться с окружающей средой. Некоторые могут выглядеть как мертвые листья на ветке, когда они отдыхают с закрытыми крыльями. Отметки под крылом в виде запятой и вопросительного знака бабочек помогают им оставаться незамеченными во время спячки в подстилке из листьев.

Вернуться к оглавлению

Слова-бабочки (Глоссарий)

Брюшко (существительное) - последний сегмент тела насекомого, расположенный на конце хвоста. Сердце, репродуктивные органы и большая часть пищеварительной системы расположены в брюшной полости насекомого.

Взрослый (существительное) - взрослое или полностью развитое животное. Бабочка или моль - это взрослая стадия гусеницы.

Антенна (существительное, множественное число: усики) - одна из пары тонких структур, расположенных на голове некоторых насекомых.Усики бабочки используются для баланса, обнаружения запахов и скорости ветра.

Греться (глагол) - действие, при котором бабочка отдыхает с распростертыми крыльями на солнце, чтобы поглотить как можно больше тепла.

Камуфляж (существительное) - защитная окраска, которая позволяет животному сливаться с окружающей средой, тем самым скрывая его от хищников.

Гусеница (существительное) - червеобразная вторая стадия жизненного цикла бабочки, также называемая личинкой.

Хитин (существительное, произносится: KI-tin) - прочный бесцветный материал, из которого состоит экзоскелет насекомого.

Chrysalis (существительное - произносится: KRIS-uh-liss) - третья стадия жизненного цикла бабочки, также называемая куколкой.

Кокон (существительное) - шелковое защитное покрытие, создаваемое личинкой моли перед тем, как она стала куколкой.

Холоднокровный (прилагательное) - температура тела примерно такая же, как у окружающего воздуха из-за неспособности животного регулировать собственное внутреннее тепло тела.С другой стороны, теплокровные животные способны регулировать собственное внутреннее тепло тела, и их тела остаются при довольно постоянной температуре, независимо от их окружения.

Покой (существительное) - период бездействия, когда развитие приостанавливается, часто наступает при неблагоприятных условиях. Также спящий (глагол).

Яйцо (существительное) - первая стадия жизненного цикла бабочки. Из яйца бабочки вылупляется личинка или гусеница.

Экзоскелет (существительное) - прочное внешнее покрытие из хитина, которое поддерживает тело и защищает внутренние органы.

Голова (существительное) - передняя часть тела насекомого. Здесь расположены ротовой аппарат, глаза и усики.

Зимняя спячка (существительное) - также называется перезимовкой, переходом в период бездействия или бездействия, который длится в течение определенного периода времени (например, сезона), позволяя животным выжить в суровую погоду. Зимой бабочки впадают в спячку на любой стадии развития, в зависимости от вида. Однако чаще всего гибернация наступает на стадии куколки.Также спящий (глагол).

Инстинкт (существительное) - способ поведения, естественный для животного от рождения. Поведение известно без обучения. Также инстинктивно (наречие).

Личинка (существительное, множественное число: личинки) - червеобразная вторая стадия жизненного цикла бабочки, также называемая гусеницей.

Жизненный цикл (существительное) - фазы или изменения, которые проходит насекомое от стадии яйца до своей взрослой жизни.

Мандибулы (существительное) - зубчатые челюсти, присутствующие у насекомых с жевательным ротовым аппаратом.У гусениц есть челюсти, а у взрослых бабочек - нет.

Спаривание (глагол) - соединение самки и самца с целью разведения и получения потомства.

Metamorphosis (существительное) - заметные изменения внешнего вида и привычек, которые происходят в процессе развития, от стадии (стадий) роста до стадии зрелости, взрослой особи. Бабочки претерпевают «полную метаморфозу», и их внешний вид полностью меняется от личиночной стадии к взрослой. Насекомые, прошедшие «простую метаморфозу», такие как кузнечик, на этих стадиях меняют внешний вид лишь постепенно.

Миграция (существительное) - массовое перемещение вида животных на многие мили с целью избежать неблагоприятных условий. Некоторые бабочки, такие как монарх, могут мигрировать на тысячи миль, чтобы избежать зимних условий. Другие виды бабочек могут мигрировать только на относительно короткие расстояния. Также мигрировать (глагол).

Molt (глагол) - потерять старую кожу или экзоскелет. Насекомое вырастает в более крупное насекомое, чтобы заменить то, что упало.

Нектар (существительное) - сладкая, сладкая жидкость, производимая многими цветами.

Ovum (существительное, множественное число: ova) - яйцо.

Патрулирование (глагол) - полет над определенной областью в поисках помощника.

Насаживаться (глагол) - приземлиться на высокое растение или другой объект с целью поиска партнера.

Феромон (существительное) - химическое вещество, выделяемое животным и предназначенное для того, чтобы вызвать определенную реакцию у другого человека того же вида. Бабочки выделяют феромоны, чтобы привлечь партнера.

Хоботок (существительное) - похожий на соломинку гибкий язык, который раскручивается, когда бабочка потягивает жидкую пищу, а затем снова сворачивается в спираль, когда бабочка не ест.

Proleg (существительное) - мясистая нога или «ложная нога», прикрепленная к брюшку некоторых личинок насекомых.

Puddling (глагол) - потягивание богатой питательными веществами воды из луж. Обычно больше самцов, чем самок, и считается, что соли и питательные вещества в лужах необходимы для успешного спаривания.

Куколка (существительное, мн. Куколки) - третья стадия жизненного цикла бабочки, также называемая куколкой.

Pupate (глагол) - превращаться и существовать как куколка.

Чешуя (существительное) - крошечные модифицированные волоски, которые перекрывают крыло бабочки. Чешуя придает крыльям бабочки свой цвет и красоту.

Стадия (существительное) - один из отчетливых периодов в жизни насекомого. У бабочек четыре стадии: яйцо, личинка, куколка и взрослая особь.

Thorax (имя существительное) - второй сегмент тела насекомого, расположенный в средней части. К грудной клетке прикреплены крылья и ноги бабочки.

Жила (существительное) - ребристые трубки, служащие опорой крыльям насекомых.Вены представляют собой трубки, в основном заполненные воздухом.

.

Эффект бабочки - Scholarpedia

Рисунок 1: Эволюция (с шагом в 5 лет) однодневной ошибки прогноза в метрах (пунктирная линия) и время удвоения начальной ошибки в днях (полная линия) 500 \ (гПа \) ) Зимняя геопотенциальная высота северного полушария - репрезентативная мера состояния атмосферы, полученная из оперативной модели прогнозирования погоды ECMWF.

Эффект бабочки - это концепция, изобретенная американским метеорологом Эдвардом Н. Лоренцем (1917–2008), чтобы подчеркнуть возможность того, что небольшие причины могут иметь важные последствия.Изначально сформулированный в связи с проблематикой предсказания погоды, в конечном итоге он стал метафорой, используемой в самых разных контекстах, многие из которых выходят за рамки строгой науки.

Краткая история

29 декабря 1972 г. Лоренц выступил с докладом на 139-м заседании Американской ассоциации содействия развитию науки, проходившем в Вашингтоне, округ Колумбия, под названием

Предсказуемость: вызывает ли взмах крыльев бабочки в Бразилии торнадо в Техасе?

Основная идея доклада заключалась в том, что поведение атмосферы неустойчиво по отношению к возмущениям малой амплитуды.В своей хрупкости бабочка - фактически представленная в названии организатором сессии, неспособная достичь Лоренца во время выпуска программы - казалась идеальной иллюстрацией малости, в отличие от подавляющего характера таких явлений, как торнадо, которые встречаются в нашей естественной среде и решительно вмешиваются в нашу повседневную жизнь.

С самого начала Лоренц осознавал опасность недоразумений, которые потенциально могут возникнуть из-за такого названия, ввиду несоразмерности между бабочкой и торнадо.Он подчеркнул, что в буквальном смысле вопрос, сформулированный в названии, никоим образом не претендовал на положительный ответ. Вопрос был, скорее, в том, испытают ли две конкретные погодные ситуации, различающиеся лишь незначительным влиянием взмахов крыльев одной бабочки, в долгосрочной перспективе две различные последовательности событий определенного типа (например, торнадо). : в конце концов, имеет значение нестабильность атмосферы. Лоренц также предостерег от путаницы, связанной с идентификацией эффекта бабочки и странного аттрактора, похожего на бабочку, который он обнаружил в 1963 году при изучении трехмодового усечения уравнений Буссинеска, описывающих течение Рэлея-Бенара за порогом тепловой конвекции.

Как это часто бывает в истории идей, возможность того, что малые причины могут иметь большие последствия в целом и в контексте погоды в частности, предвидели ряд исследователей до Лоренца, от Анри Пуанкаре до Норберта Винера. Заслуга работы Лоренца состоит в том, чтобы поставить концепцию нестабильности атмосферы на прочную количественную основу и связать ее со свойствами больших классов систем, испытывающих нелинейную динамику и детерминированный хаос.

Рост ошибок и прогнозирование сложных систем

Физическая система, такая как атмосфера, неизбежно подвержена небольшим погрешностям в начальных условиях, которые необходимо указать при запуске модели, предоставляющей информацию о ее будущем развитии. Такие неопределенности присущи процессу экспериментальных измерений, который даже в его наиболее сложной форме ограничен конечной точностью. Наблюдение при заданных внешних условиях влечет за собой, таким образом, что вместо одной системы, представленной изолированной точкой в ​​пространстве состояний (фазовое пространство, в терминологии теории динамических систем), на самом деле мы имеем дело с ансамблем систем, содержащихся в пределах неопределенности мяч , занимающий в этом пространстве конечный объем.Интересующая нас система находится где-то внутри этого шара, но мы не можем указать ее точное положение, так как для наблюдателя все ее точки представляют одно и то же состояние. Короче говоря, физические системы подвержены универсальному источнику возмущений, связанных с наличием начальных ошибок . Тогда возникает вопрос, будут ли они реагировать, удерживая ошибки под контролем (в этом случае они будут считаться стабильными), или, наоборот, они будут усиливать их в ходе своей эволюции (в этом случае они будут считается нестабильным).

Для атмосферы на этот вопрос можно ответить, прибегнув к реалистичным моделям, описывающим эволюцию соответствующих атмосферных полей во времени. Одной из наиболее известных и наиболее широко используемых операционных моделей этого типа является модель, разработанная в Европейском центре среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), предназначенная для составления прогнозов погоды в диапазоне от нескольких дней до нескольких недель. Это включает ежедневную подготовку прогноза глобального состояния атмосферы на \ (N \) дней (обычно \ (N = 10 \) дней) с использованием текущего состояния в качестве начального условия.Поскольку уравнения решаются путем пошагового интегрирования, также обычно достигаются промежуточные (1, 2, \ (\ cdots \)) дневные прогнозы. Используя тот факт, что модель дает довольно хорошие однодневные прогнозы, можно ожидать, что состояние, прогнозируемое на данный день, на 1 день вперед, может считаться равным состоянию, которое впоследствии наблюдалось в этот день, плюс относительно небольшая ошибка. . Сравнивая 1- и 2-дневные прогнозы на следующий день, 2- и 3-дневные прогнозы на следующий день и т. Д., Можно затем определить при усреднении за несколько последовательных дней, как средняя ошибка изменяется во времени.

Результат за период 1982-2002 гг. (С шагом 5 лет), кратко представленный на Рисунке 1, устанавливает наличие роста ошибки в результате чувствительной зависимости от начальных условий в атмосфере. Более того, эта зависимость приводит здесь к наиболее сильной форме роста, а именно к экспоненциальному росту . Сплошной линией на рисунке показано время удвоения начальной ошибки. В 1982 году это значение составляло около 2 дней, как определил сам Лоренц в основополагающей работе, в которой данные ECMWF были впервые проанализированы с этой точки зрения.Как можно видеть, это значение упало примерно до 1,2 дня в 2002 году. Это уменьшение на первый взгляд кажется парадоксальным, поскольку за этот 20-летний период были отмечены значительные технологические достижения, такие как увеличение пространственного разрешения, существенное улучшение схемы параметризации и почти трехкратное уменьшение начальной (1-дневный прогноз) ошибки (пунктирная линия на рисунке 1). Это отражает тот факт, что, хотя точность прогнозов на несколько дней вперед значительно возрастает, подробное прогнозирование погодных условий на достаточно больших расстояниях с моделями возрастающей сложности может оказаться неосуществимым из-за сложности, присущей динамике атмосферы.Частично эта сложность связана с сосуществованием процессов, разворачивающихся в широком диапазоне пространственных и временных масштабов: ошибки в более грубой структуре погодных условий будут иметь тенденцию удваиваться намного медленнее, чем ошибки в более тонкой структуре (например, положения отдельные облака), если бы не тот факт, что последние, достигнув заметного размера, также имеют тенденцию вызывать ошибки в более грубой структуре.

Рисунок 2: Иллюстрация явления чувствительности к начальным условиям в модельной системе, порождающего детерминированный хаос.{-2} \) (синяя кривая).

Ясно, что как только расстояние между двумя мгновенными состояниями, изначально разделенными очень небольшой ошибкой, превысит экспериментальное разрешение, состояния перестанут быть неразличимыми для наблюдателя. В результате будет невозможно предсказать будущую эволюцию рассматриваемой системы за пределами этого временного горизонта. Это поднимает фундаментальный вопрос о предсказуемости явлений, лежащих в основе поведения атмосферы.

Теперь экспоненциальная чувствительность к начальным условиям оказывается основной характеристикой детерминированного хаоса , хорошо известного поведения, лежащего в основе больших классов детерминированных динамических систем, управляемых нелинейными законами эволюции.Это открывает путь к анализу роста ошибок и пониманию эффекта бабочки в атмосфере с использованием инструментов теории хаоса. Более того, поскольку известно, что детерминированный хаос возникает не только в системах, включающих большое количество сложно связанных переменных, но также и в обычных на вид системах, допускающих небольшое количество переменных, рост ошибок и эффекты типа бабочки на самом деле представляются концепциями универсальной применимости. Это раз и навсегда исключает идею о том, что эффект бабочки может отражать неполное знание атмосферы в связи с наличием огромного количества переменных (до \ (10 ​​^ 7 \) или около того для модели прогнозирования ECMWF) и маскировки параметров. некоторые лежащие в основе закономерности: системы, подчиняющиеся законам эволюции, известные до мельчайших деталей, подчиняющиеся идеально контролируемым параметрам, все же могут оказаться непредсказуемыми за пределами определенного временного горизонта.* _i \), который уменьшается с \ (\ epsilon_i (i = 1,2) \) и впоследствии расходится на суммы, сопоставимые со всем диапазоном изменения \ (x \. \)

Используя данные рисунка, можно определить мгновенное значение ошибки.

\ [ u_t (\ epsilon, x_0) = x (t, x_0 + \ epsilon) -x (t, x_0) \]

Для данного \ (x_0 \, \) эта величина демонстрирует очень выраженную изменчивость. Усреднение по всем возможным начальным состояниям \ (x_0 \), совместимым с динамикой (сохраняя значения \ (\ epsilon_i \), как указано выше), приводит к логистической кривой роста средней квадратичной ошибки, показанной на рисунке 1.* \ приблизительно \ ln1 / \ epsilon \), где ошибки внезапно достигают заметных значений; и заключительный этап, на котором средняя ошибка достигает уровня насыщения порядка размера аттрактора и после этого остается постоянной. Механизм, обеспечивающий это насыщение, - это повторная инъекция траекторий, которые сначала стремятся уйти из-за нестабильности движения, обратно в подмножество фазового пространства, которое является частью аттрактора.

Рисунок 3: Зависимость от времени средней квадратичной ошибки системы на рис.* \) - расположение точек перегиба, характеризующих «взрывную» стадию роста ошибок.

Обратите внимание, что начальные состояния (опорные, а также возмущенные), рассматриваемые на рисунках 2 и 1, лежат на одном и том же аттракторе, однозначно определенном после того, как заданы закон эволюции и значения параметров. Траектории, изображенные на рисунке 2, описывают, таким образом, один и тот же тип поведения, различающийся только тем, как события развиваются во времени. Это подтверждает предупреждение Лоренца (ср.* \) от примерно 5 до примерно 30. Естественно, однажды на столь малых масштабах, как те, для которых начинает проявляться тепловой шум, другие эффекты, вероятно, возьмут верх и замаскируют эффект бабочки.

Связь динамических систем, описанная выше, также позволяет идентифицировать ряд внутренних величин, полностью определяемых законом эволюции и значениями параметров, обеспечивая количественные измерения эффекта бабочки. Наиболее заметным среди них является (максимальный) показатель Ляпунова, определяемый как

\ [ \ sigma_ {max} = \ lim_ {t \ rightarrow \ infty, \ epsilon \ rightarrow 0} \ frac {1} {t} \ ln \ frac {u_t (\ epsilon, x_0)} {\ epsilon} \]

в двойном пределе (в указанном порядке) бесконечно малых начальных ошибок \ (\ epsilon \) и бесконечно больших времен \ (t \.* \) выше) определяет временной горизонт, за пределами которого прогнозы становятся по существу случайными.

Типичные динамические системы живут в многомерном фазовом пространстве и поэтому обладают несколькими показателями Ляпунова, некоторые из которых отрицательны. Предполагается, что на короткое время все эти показатели будут участвовать в динамике ошибки. Поскольку типичный аттрактор, связанный с хаотической системой, является фрактальным, небольшая ошибка, смещающая систему из начального состояния на аттракторе, вполне может спроецировать ее за пределы аттрактора.Тогда динамика ошибок может включать в себя переходную стадию перед восстановлением аттрактора, во время которой ошибки будут со временем затухать.

Важным классом многомерных систем являются пространственно протяженные системы. Здесь часто бывает удобно расширить интересующие величины с точки зрения различных пространственных масштабов, в которых может развиваться интересующее явление, и, в частности, различных масштабов, по которым может произойти начальная ошибка. Изложенные выше идеи подразумевают, таким образом, что свойства предсказуемости явления зависят от его пространственного масштаба.* \) для достижения точки перегиба дают только частичную картину, так как в действительности детальная эволюция зависит от способа взвешивания различных возможных местоположений и направлений ошибок.

Стоит упомянуть ситуацию, когда ошибки возрастают субэкспоненциально, например, как степени \ (t \. \). В хаотической динамической системе это происходит временно вдоль направлений, связанных с ее исчезающими показателями Ляпунова, до стадии где преобладают направления, связанные с положительными показателями.В не-хаотических системах, такие как системы, проходящих неравномерный периодический или квазипериодический рост мощность движения закона переходного является правилом, и связанно с более крупными фазовыми сдвигами между опорным и возмущенной системой. Такие ошибки не учитываются при работе с эффектом бабочки: в среднем их величина будет оставаться близкой к начальному значению \ (\ epsilon \, \), хотя в некоторых конкретных реализациях может временно наблюдаться этап резкого роста.

Начальные ошибки, ошибки модели и изменчивость окружающей среды

Подобно эксперименту, моделирование физического явления также имеет свои ограничения.Во-первых, после выбора определенного уровня описания мелкомасштабные процессы (например, локальная турбулентность в контексте динамики атмосферы) автоматически игнорируются, поскольку они превышают принятое (конечное) разрешение. Более того, многие параметры, встроенные в модель, могут быть неизвестны с большой точностью. Таким образом, в дополнение к начальным ошибкам прогнозирование должно обрабатывать ошибок модели , отражая тот факт, что модель является лишь приблизительным представлением реальности. Ключевой вопрос, таким образом, заключается в том, в какой степени ошибки модели будут увеличиваться со временем до точки, ставящей под угрозу качество прогноза.Это поднимает проблему параметрического эффекта бабочки , связанного с чувствительностью системы к изменениям основных законов эволюции, который в нелинейной динамике обозначается как структурная стабильность . Подчеркнем, что если бы динамика была простой, исходные ошибки или ошибки модели не имели бы значения. Но в больших классах систем это не так. Таким образом, исходные ошибки и ошибки модели можно рассматривать как пробу, раскрывающую лежащую в основе нестабильность и сложность рассматриваемой системы.

Естественные сложные системы, такие как атмосфера, можно разумно ожидать, что они будут структурно стабильными, поскольку они являются результатом эволюции, в ходе которой они адаптировались к окружающим условиям. С точки зрения предсказуемости это означает, что аттракторы эталонной, реальной системы и приближенной модели будут иметь схожие структуры и лежать относительно близко друг к другу в фазовом пространстве, различаясь только своими количественными свойствами. Таким образом, уместным вопросом здесь является то, как возмущенная система (модель) будет отклоняться с течением времени от своего начального состояния на невозмущенном аттракторе (реальная система ) до достижения конечного аттрактора.2 \, \) с коэффициентом пропорциональности, зависящим от величины ошибки в параметрах или пропущенных слагаемых при принятом разрешении. В отличие от исходных ошибок (которые начинаются с ненулевого значения при \ (t = 0 \)), неустойчивость движения и, в частности, наибольший показатель Ляпунова не играют здесь решающей роли.

• При увеличении времени ошибки модели растут так же, как на кривой на рисунке 1. Интересно, что достигнутый уровень насыщения снова конечен и практически не зависит от качества модели, поскольку он отражает в первом приближении среднее значение типичных квадратичных расстояний. между любыми двумя точками эталонного аттрактора, которые имеют тенденцию все больше сдвигаться по фазе.

Таким образом, начальный этап динамики глобальных ошибок (исходных плюс модель) обязательно будет определяться ростом исходных ошибок, поскольку ошибки модели изначально равны нулю. В течение длительного времени как начальные, так и модельные ошибки достигают конечного уровня, в зависимости от природы аттрактора системы отсчета. Как правило, между этими двумя крайностями наблюдается кроссовер между ростом двух типов ошибок, как показано на рисунке 3. За пределами времени кроссовера \ (\ overline {t} \, \) тогда классический эффект бабочки заменяется эффектом, отражающим чувствительность самих законов эволюции к малым ошибкам.Поскольку модели играют важную роль в большинстве схем прогнозирования, это является дополнительным неснижаемым ограничением при прогнозировании сложных систем.

Рисунок 4: Типичная временная зависимость средней квадратичной ошибки модельной динамической системы, приводящей к детерминированному хаосу, начиная с 100,00 начальных условий, разбросанных по аттрактору при наличии ошибок начальных условий (красная линия), ошибок модели (синяя линия) и ошибки исходного состояния и модели (зеленая линия). \ (\ overline {t} \) обозначает время кроссовера, при котором оба источника ошибок достигают сравнимой величины.

В предыдущем обсуждении понималось, что значения характеристических параметров (реальных или модельных) остаются фиксированными. Растет интерес к реакции сложной системы в целом и атмосферы в частности на внешние воздействия и изменяющиеся параметры - например, в результате антропогенного воздействия. Основные результаты о статусе эффекта бабочки в этих условиях можно резюмировать следующим образом:

• Внешние воздействия даже слабой амплитуды могут вызвать качественно новые эффекты в виде повышенной чувствительности (стохастический резонанс и т. Д.)) или переходов между состояниями, которые в противном случае остались бы разделенными. Это еще больше усложняет задачу прогнозирования.

• Систематическое медленное изменение параметра во времени может повысить стабильность состояния, которое в противном случае могло бы стать нестабильным, и даже может привести к ситуациям, когда система становится для всех практических целей замороженной в состоянии, которое может иначе не выдержать. В то же время, однако, колебания вокруг среднего имеют тенденцию к увеличению, и в результате увеличивается вероятность возникновения экстремальных событий.

• В течение очень короткого времени влияние стохастических воздействий (даже небольших, включая тепловой шум) преобладает над действием (детерминированных) законов эволюции. В результате стадия экспоненциального роста, характерного для детерминированного хаоса, наступает только после некоторого характерного времени, зависящего от силы шума, так как изначально квадратичные ошибки растут только линейно во времени. В течение этого временного режима эффект бабочки ослабляется.

Укрощение бабочки: вероятностный подход к предсказанию

Чувствительность и внутренняя случайность сложных систем, символизируемых эффектом бабочки, сигнализируют об ограничениях традиционного детерминированного описания, в котором основное внимание уделяется детальной, поточечной эволюции индивидуальных траекторий.Как было показано ранее, из-за конечной точности процесса измерения в природе мгновенное состояние в действительности следует понимать как небольшую область в фазовом пространстве. При наличии эффекта бабочки эта область впоследствии будет деформироваться, а отдельные точки внутри нее будут все больше делокализоваться. Для наблюдателя это будет сигналом о неспособности предсказать будущее после определенного переходного периода на основе знания текущих условий. Эти элементы представляют собой убедительную мотивацию для поиска альтернативного описания, способного естественным образом справляться с нерегулярной последовательностью событий, делокализацией в пространстве состояний и встроенными неопределенностями.Вероятностный подход предлагает эту естественную альтернативу.

Фундаментальный момент заключается в том, что эволюция систем, состоящих из нескольких субъединиц и претерпевающих сложную динамику, может быть отображена в вероятностное описание самосогласованным образом, без эвристических приближений. Таким образом, вероятностный и детерминированный подходы становятся двумя сторонами одной и той же реальности, что позволяет выявить закономерности нового типа.

Одним из нововведений, связанных с вероятностным описанием, является то, что эволюция основных распределений вероятностей (описываемых уравнениями Лиувилля, Мастера или Фоккера-Планка), которые теперь становятся основными представляющими интерес величинами, является линейной и демонстрирует сильную стабильность и уникальность. свойства.Это резко контрастирует с детерминированным описанием, в котором проявляются нелинейность и нестабильность. Как мы видим в настоящее время, это составляет основу нового подхода к прогнозированию. При реализации на математической модели, представляющей конкретную систему, например, атмосферная циркуляция вероятностный подход сводится к выбору набора начальных условий, совместимых с имеющимися данными; интегрировать уравнения модели для каждого из этих начальных условий; и для оценки средних значений (или более высоких моментов) интересующих количеств по этим отдельным реализациям .В контексте динамики атмосферы эта процедура известна как ансамблевые прогнозы . Его главное достоинство - смягчить сильные колебания, связанные с одной реализацией, и отсортировать количественные тенденции по отношению к индикаторам внутренней динамики рассматриваемой системы. Рисунок 1 схематически иллюстрирует характер ансамблевых прогнозов. Полный круг в области начального фазового пространства \ (\ delta \ Gamma_0 \) обозначает наилучшее доступное начальное значение .Его эволюция в фазовом пространстве, сначала через короткий промежуток времени (область \ (\ delta \ Gamma_1 \)), а затем во время окончательной проекции прогноза (область \ (\ delta \ Gamma_2 \)), представлена ​​красным линия. Итак, начальное положение - это только одно из нескольких возможных начальных состояний атмосферы с учетом ошибок, присущих анализу. Вокруг него сгруппированы другие возможные состояния, представленные на рисунке светлыми кружками. Как видно, траектории, исходящие от этих членов ансамбля (синие линии), сначала отличаются незначительно.Но между промежуточным и последним моментами времени они заметно расходятся, предположительно из-за того, что время предсказуемости было превышено: есть подмножество начального ансамбля, включая лучшее предположение , которое дает аналогичные прогнозы, но остальные предсказывают довольно иное состояние атмосферы. . Этот разброс указывает на неопределенность прогноза. Он представляет собой важный источник информации, который был бы недоступен, если бы были интегрированы только начальные условия best , особенно когда предполагается, что экстремальные ситуации произойдут в ближайшем будущем.Следует отметить, что такие неопределенности часто отражают локальные свойства динамики, такие как скорость локального расширения и ориентация связанных направлений фазового пространства.

Рисунок 5: Иллюстрация природы ансамблевых прогнозов. Области фазового пространства \ (\ delta \ Gamma_0 \, \) \ (\ delta \ Gamma_1 \) и \ (\ delta \ Gamma_2 \) представляют три последовательных снимка ансамбля близлежащих начальных условий (слева) по мере увеличения времени прогнозирования . Красная линия представляет собой традиционный детерминированный прогноз одиночной траектории с использованием наилучшего начального состояния, полученного с помощью передовых статистических методов и методов анализа данных.Синие линии представляют траектории других членов ансамбля, которые остаются близко друг к другу в течение промежуточных периодов времени (в центре), но впоследствии разделяются на два подансамбля (справа), что свидетельствует о том, что детерминированный прогноз становится нерепрезентативным. Обратите внимание на деформацию объемов фазового пространства, сопровождающую лежащую в основе нестабильность.

Вероятностный подход также может применяться для разработки прогнозных моделей только на основе данных. Пример того, как это достигается, относится к переходу между атмосферными режимами, таким как начало засухи.Основная идея состоит в том, чтобы быть совместимой с такими данными, лежащая в основе система должна обладать (с точки зрения ее гидрологических свойств) двумя сосуществующими аттракторами, соответствующими соответственно режиму квазинормальных осадков и режиму засухи. В детерминированной обстановке система выберет тот или иной из этих аттракторов в зависимости от начальных условий и впоследствии останется в ловушке. В действительности, под влиянием флуктуаций, спонтанно генерируемых локальными механизмами переноса и излучения, или возмущений внешнего происхождения, таких как, например, аномалии температуры поверхности, система может переключаться между аттракторами и изменять свой климатический режим.Это лежит в основе прерывистой эволюции в форме мелкомасштабной изменчивости вокруг четко определенного состояния, за которой следует скачок к новому состоянию, которое воспроизводит основные черты записи. Эта идея, конечно, может применяться к множеству других проблем, включая переход между хорошо известными зональными и заблокированными атмосферными потоками. В своей количественной форме модели, принадлежащие к этому семейству, проявляются в форме эволюционных уравнений для лежащих в основе распределения вероятностей, из которых можно оценить ряд соответствующих величин, таких как время жизни данного атмосферного режима.

Эффект бабочки, причинность и случайность

Повсеместное распространение эффекта бабочки в больших классах сложных систем заставляет задуматься о связи между двумя концепциями, которые считались совершенно разными на протяжении всей истории науки и идей в целом, а именно причинности и случайности.

Классическая причинность связывает два качественно различных типа событий, причины и следствия, которым она накладывает универсальный порядок во времени. От ранних греческих философов до основоположников современной науки причинность считалась краеугольным камнем, гарантирующим, что природа управляется объективными законами, и налагая серьезные ограничения на формулировку теорий, направленных на объяснение природных явлений.Технически причины могут быть связаны с начальными условиями для переменных, описывающих систему, или с ограничениями (в более общем плане, параметрами), наложенными на нее. В детерминированном сеттинге это фиксирует конкретную траекторию (в более общем плане, конкретное поведение), и именно эта уникальная взаимосвязь «причина к действию» составляет выражение причинности и обычно интерпретируется как динамический закон.

Но предположим, что вы имеете дело со сложной системой, показывающей чувствительность к начальным условиям, поскольку это происходит в детерминированном хаосе или чувствительности к параметрам и ошибкам моделирования в целом.Незначительные изменения в причинах производят теперь эффекты, которые выглядят совершенно иначе с детерминированной точки зрения, тем самым поднимая вопрос о предсказуемости рассматриваемой системы. Ясно, что в этих условиях причины приобретают новый статус. Не ставя под сомнение причинность, можно признать, что ее полезность с точки зрения прогнозирования необходимо пересмотреть. Именно здесь статистические законы предлагают естественную альтернативу. Будучи формально связанными с концепцией случайности, в предыдущем разделе подчеркивалось, что они не требуют дополнительных статистических гипотез: когда выполняются соответствующие условия динамики, статистические законы являются эмерджентными свойствами, которые не только составляют точное отображение лежащая в основе (детерминированная) динамика, но также обнаруживает ее ключевые особенности, которые были бы размыты при традиционном описании в терминах траекторий.В некотором смысле здесь мы имеем дело с некоторой детерминированной случайностью . Фактически, уравнения, управляющие распределениями вероятностей, связанных со сложной системой, являются детерминированными и причинными в том, что касается их математической структуры: они связывают начальную вероятность ( причина ) с зависящей от времени или асимптотической ( эффект ) уникальным образом. Благодаря присущей ему свойствам линейности и стабильности вероятностное описание восстанавливает причинную связь и позволяет по-прежнему делать прогнозы, хотя и в перспективе, радикально отличной от традиционной.

От фактов к вымыслам

Концепция эффекта бабочки относится к реальному явлению универсального действия, выходящему далеко за рамки физики атмосферы, в которой он был первоначально предложен. Это подчеркивает тот факт, что наука не в состоянии предсказать все, как только будет собрано достаточно информации, из-за наличия внутренних ограничений. В этом отношении он способствовал появлению новой, постньютоновской научной парадигмы, ныне известной как парадигма сложности .

Мелочи прошлого также могут иметь большое значение в повседневной жизни, когда идеи и тенденции переходят порог, склоняются и распространяются, как это обсуждается в интересной книге Малкольма Гладуэлла. Автор, правильно, не делает никаких попыток связать этот тип явлений с эффектом бабочки в смысле Лоренца. Аналогичным образом биологическую эволюцию и дарвиновскую адаптацию можно рассматривать как накопление небольших изменений за длительный период, которые на определенном этапе производят важные эффекты, которые невозможно предсказать заранее.Опять же, это не следует путать с эффектом бабочки. Скорее, как указывали некоторые авторы, мы фактически находимся здесь в невозможности знать заранее пространство состояний развивающейся биосферы.

Чувствительность больших классов систем и сопутствующая сложность для выдачи долгосрочных прогнозов - это хорошо установленный факт в самых разных областях, выходящих за рамки строгой физической науки, таких как социология и финансы. Эффект бабочки составляет здесь мощную аналогию , которую можно плодотворно использовать для постановки вопросов и транспонирования техник, которые иначе было бы невозможно представить.К сожалению, картина начинает размываться с момента перехода от фактов к метафорам , вызываемым неконтролируемым образом. Это то, что неоднократно происходило в последние десятилетия, когда эффект бабочки был перенесен в массовую культуру, чтобы объяснить, что цепь событий, очевидно не имеющих значения, может изменить Историю и сформировать судьбы. Большинство, если не все, эти транспозиции являются просто сомнительной наукой и, более того, сильно вводят в заблуждение публику, которой они адресованы.В самом деле, суть эффекта бабочки состоит в том, что, напротив, после небольших изменений в прошлом человек никогда не сможет полностью оценить последствия для настоящего, учитывая очень сложные и замысловато коррелированные последовательности событий, разделяющих мир. ссылка и измененные пути.

Подведение итогов

Классическая наука подчеркивала стабильность и постоянство. События последних десятилетий, напротив, показывают, что нестабильность, чувствительность и непредсказуемость лежат в основе больших классов (если не большинства) явлений, происходящих в макроскопических временных и пространственных масштабах - масштабах нашего повседневного опыта.Лица, принимающие решения, общественность и даже часть научного сообщества должны адаптироваться к этому положению дел и к требуемым им способам рассуждений. Многие системы, вызывающие озабоченность, от атмосферы до фондового рынка, необходимо наблюдать, отслеживать, моделировать и прогнозировать таким образом, чтобы отдавать должное их внутренней сложности, в противном случае существенные особенности, вероятно, будут упущены. Эффект бабочки является символом этой новой рациональности.

Список литературы

История концепции эффекта бабочки

• П.Дюгем, Телосложение Теории: сын объект, структура , Марсель Ривьер, Париж (1906).
• Дж. Адамар, «Поверхности противостоящих и различающихся линий», J. Math. Pures et Appl. 4, 27-73 (1898).
• Р. Хилборн, Чайки, бабочки и покупатели травы: краткая история эффекта бабочки в нелинейной динамике, Amer. J. Phys. 72, 425-427 (2004).
• Э. Н. Лоренц, Детерминированный непериодический поток, J. Atmos. Sci. 20, 130–141 (1963).
• E.Н. Лоренц, Сущность хаоса , Вашингтонский университет Press (1993).
• Х. Пуанкаре, Science et méthode , Фламмарион, Париж (1908).
• Н. Винер, Нелинейное прогнозирование и динамика , в Proc. 3-й симпозиум в Беркли. по математике. Статистика и вероятность, Vol. 3, Университет Беркли Пресс (1954).

Рост ошибок и предсказуемость

• Э. Н. Лоренц, Атмосферная предсказуемость, выявленная встречающимися в природе аналогами, J.Атмос. Sci. 26, 636-646 (1969).
• Э. Н. Лоренц, Эксперименты по предсказанию атмосферы с большой численной моделью, Tellus, 34, 505-513 (1982).
• К. Николис, Вероятностные аспекты роста ошибок в атмосферной динамике, Q.J.R. Meteorol. Soc. 118, 553-568 (1992).
• Г. Николис и К. Николис, Основы сложных систем , World Scientific, Сингапур (2007).

Ошибка модели и форсирование, зависящее от времени

• С.Николис, Переходная климатическая реакция на повышение концентрации \ (CO_2 \): некоторые динамические сценарии, Tellus, 40A, 50-60 (1988).
• К. Николис, Динамика ошибок модели: некоторые общие особенности, J. Atmos. Sci., 60, 2208-2218 (2003).
• К. Николис, Динамика ошибок модели: роль неразрешенных масштабов, J. Atmos. Sci., 61, 1749-1753 (2004).
• К. Николис и Г. Николис, Прохождение через барьер с медленно увеличивающимся контрольным параметром, Phys. Ред. E 62, 197-203 (2000).
• Г. Николис, Введение в нелинейную науку , Cambridge University Press, Кембридж (1995).

Вероятностные прогнозы

• Г. Демаре и К. Николис, Начало сахелианской засухи, рассматриваемое как переходный период, вызванный колебаниями, Q.J.R. Meteorol. Soc. 116, 221-238 (1990).
• E. Kalnay, Атмосферное моделирование, ассимиляция данных и предсказуемость , Cambridge University Press, Кембридж (2003).
• г.0936, 9-15 октября (2008 г.).
• М. Гладуэлл, Точка опрокидывания , Abacus, Лондон (2001).
• С. Кауфман, Переосмысление священного , Basic Books, Нью-Йорк (2008).

Внутренние ссылки

• Ян А. Сандерс (2006) Усреднение. Scholarpedia, 1 (11): 1760.

• Олаф Спорнс (2007) Сложность. Академия наук, 2 (10): 1623.

• Грегуар Николис и Катрин Рувас-Николи (2007) Сложные системы.Scholarpedia, 2 (11): 1473.

• Джованни Галлавотти (2008) Колебания. Scholarpedia, 3 (6): 5893.

• Филип Холмс и Эрик Т. Ши-Браун (2006) Стабильность. Scholarpedia, 1 (10): 1838.

• Дэвид Х. Терман и Евгений М. Ижикевич (2008) Государственное пространство. Scholarpedia, 3 (3): 1924.

• Кэтрин Рувас-Николис и Грегуар Николис (2007) Стохастический резонанс. Scholarpedia, 2 (11): 1474.

• Джеймс Мердок (2006) Разворачивается.Scholarpedia, 1 (12): 1904.

Дополнительная литература

Внешние ссылки

См. Также

Хаос

.