Как насекомые эволюционировали для сверхбыстрого полёта
Исследователи из Технологического института Джорджии и Калифорнийского университета в Сан-Диего выяснили, что способность к асинхронному полёту — когда мышцы крыльев сокращаются быстрее, чем нервная система подаёт команды, — возникла у насекомых единожды у общего предка, а не независимо в четырёх группах, как считалось ранее. Эволюция неоднократно «включала» и «выключала» этот режим.
Ключевой вид для понимания этой эволюции — мотыльки. Их предки обладали асинхронным полётом, но позже перешли к синхронному (один нервный импульс на одно взмаx крыла). Однако даже спустя миллионы лет мотыльки сохранили скрытую способность к асинхронным сокращениям мышц.
Физика двух режимов полёта
Учёные объяснили переходы между режимами, сопоставив их с двумя фундаментальными типами колебаний в физике:
- Синхронный полёт — как регулярные толчки маятника.
- Асинхронный полёт — как «танцующий» воздушный шарик у автосалона, где непрерывная струя воздуха создаёт само-возбуждающиеся колебания.
Мышцы при асинхронном полёте заранее «взведены» нервным импульсом и активируются от лёгкого растяжения, позволяя крыльям биться свыше 800 раз в секунду (у комаров). Это преодолевает физиологический предел скорости сокращения мышц (~100 раз в секунду), критичный для мелких насекомых.
Моделирование и роботы
Используя биофизические модели и роботизированные платформы, команда показала, что оба режима полёта — две стороны единой модели. Изменение нескольких параметров может вызвать резкий переход между ними.
Были созданы два робота:
- Крупный робот-«взмаxиватель», работавший в воде (чтобы имитировать вязкость воздуха для крошечного насекомого).
- Малый робот, размером с мотылька, работавший в воздухе.
Роботы подтвердили модели и впервые продемонстрировали способность одной системы переключаться между синхронным и асинхронным режимами, воспроизводя эволюционные переходы.
«Вместо множества независимых возникновений асинхронной мускулатуры, на самом деле было только одно... От этого одного происхождения произошло несколько возвратов к синхронности», — пояснил Бретт Айелло, соавтор исследования.
Работа, объединившая эволюционную биологию, физику и робототехнику, опубликована в журнале Nature в октябре.