Мотыльки выигрывают эволюционную гонку вооружений благодаря сложной конструкции крыльев

Сверхтонкие, суперабсорбирующие и необычайно спроектированные для отвлечения внимания крылья мотыльков могут стать ключом к разработке технологических решений для выживания в «шумном» мире.

Как показало новое исследование, опубликованное в PNAS, учёные из Бристольского университета обнаружили точную конструкцию крыльев мотыльков, которая позволила виду уклоняться от своего самого проблемного хищника в 65-миллионолетней эволюционной гонке вооружений.

Используя ряд аналитических методов, включая воздушную кросс-секционную визуализацию, акустическую механику и рефрактометрию, команда из Школы биологических наук Бристоля обнаружила, что очень тонкий чешуйчатый слой на крыльях мотыльков развил необычайные ультразвукопоглощающие свойства, обеспечивающие акустический камуфляж против эхолоцирующих летучих мышей.

Ещё более удивительно то, что исследователи идентифицировали первый известный природный акустический метаматериал. Метаматериал традиционно описывает искусственный композитный материал, созданный для демонстрации физических свойств, превосходящих доступные в природе. Встречающиеся в природе метаматериалы чрезвычайно редки и ранее никогда не описывались в мире акустики.

Ранее в этом году эксперт по поведенческой акустике и сенсорной экологии доктор Марк Холдерид и его коллеги сообщили, как глухие мотыльки развили ультразвукопоглощающие чешуйки на теле, позволяющие поглощать 85% входящей звуковой энергии, которую летучие мыши используют для их обнаружения.

Необходимость выживания привела к тому, что мотыльки развили защитный барьер из чешуек глубиной 1.5 мм, действующий как пористый звукопоглотитель. Однако такой барьер не сработал бы на крыльях, где увеличенная толщина помешала бы способности мотыльков летать. Ключевой особенностью акустических метаматериалов является то, что они намного меньше длины волны звука, на который они воздействуют, что позволяет им быть гораздо тоньше традиционно сконструированных звукопоглотителей.

В этом последнем исследовании бристольская команда под руководством со-первых авторов доктора Томаса Нила и доктора Чжиюаня Шэня показывает, что мотыльки сделали ещё один жизненно важный шаг, создав резонансный поглотитель, который в 100 раз тоньше длины волны поглощаемого им звука. Это позволяет насекомым сохранять лёгкость, одновременно снижая возможность обнаружения летучими мышами эха от их крыльев в полёте.

Изучив сложные кросс-секционные изображения звука, полученные с помощью ультразвуковой томографии, команда обнаружила, что крылья мотыльков эволюционировали, чтобы создавать резонансный поглотитель, эффективно защищающий от эхолоцирующих летучих мышей. Эти открытия могут значительно усилить усилия учёных-материаловедов, акустиков и инженеров сонаров по созданию биоинспирированных звукопоглотителей с исключительной производительностью на глубоких субволновых уровнях.

«Самое удивительное, что крылья мотыльков также развили способ заставить резонансный поглотитель поглощать все частоты летучих мышей, добавив ещё одну удивительную особенность — они собирают множество этих резонаторов, индивидуально настроенных на разные частоты, в массив поглотителей, которые вместе создают широкополосное поглощение, действуя как акустический метаматериал — первый известный в природе», — сказал руководитель исследования доктор Холдерид. «Такое широкополосное поглощение очень трудно достичь в ультратонких структурах крыльев мотыльков, что и делает это таким замечательным».

Это выходит далеко за пределы, достижимые с помощью классических пористых поглотителей, подобных тем, что используются для поглощения звука в офисных помещениях, которые используют большие, толстые материалы.

Доктор Холдерид добавил: «Перспектива заключается в создании гораздо более тонких звукопоглотителей для наших домов и офисов. Мы приблизимся к гораздо более универсальному и приемлемому звукопоглощающему "обоям", а не громоздким панелям».

Это последнее исследование основывается на более ранней работе команды по акустической механике отдельных чешуек и показывает, как более традиционное поглощение звука чешуйками на теле мотылька может быть достигнуто с помощью гораздо более тонких структур на крыльях для обеспечения акустической защиты всего организма.