Новый стиль полета помогает самым маленьким жукам преуспевать
Международная команда исследователей детально описала механизмы необычайно быстрого полета самых маленьких свободноживущих насекомых — жуков семейства перокрылок (Ptiliidae). В команду входят сотрудники и студент МГУ им. М.В. Ломоносова (Россия), а также представители Сколтеха (Россия), Ростокского университета (Германия), Токийского технологического института и Университета Тиба (Япония). Работа опубликована в журнале Nature.
Самые маленькие летающие насекомые имеют особые щетинистые крылья (состояние, известное как птероптерия), которые независимо эволюционировали в процессе миниатюризации в нескольких линиях насекомых. Меньшие летающие животные обычно летают с меньшей скоростью, чем крупные, но недавние измерения показали, что жуки семейства Ptiliidae, включающего самых маленьких свободноживущих (не паразитических) насекомых, летают так же быстро, как их родственники, в три раза крупнее.
Цель и методы исследования
Цель работы — пролить свет на миниатюризацию (эволюционную тенденцию к крайнему уменьшению размеров), которая независимо происходила у нескольких групп насекомых. В результате среди жуков, ос и других насекомых есть виды, взрослые особи которых имеют длину менее 0.5 мм. Несмотря на размер, это многоклеточные животные, способные к сложному поведению и полету.
Для изучения механизма полета использовался пример одного из самых маленьких жуков, Paratuposa placentis (длина тела взрослой особи менее 0.4 мм). Исследование объединило современные морфологические методы, 3D-реконструкцию движения частей тела в полете и новые подходы в вычислительной аэродинамике. Жуков, пойманных во Вьетнаме, снимали в полете двумя высокоскоростными камерами. Структуру крыльев изучали с помощью сканирующего электронного и конфокального лазерного микроскопов.
Ключевые адаптации и механизм полета
Эффективный полет этих жуков обеспечивают две основные адаптации:
- Крайне легкие крылья. В отличие от крыльев крупных жуков, они имеют очень узкую пластинку с веером длинных периферийных щетинок (птероптерия). У самых мелких жуков эти щетинки покрыты выростами (становятся похожими на кисть), что делает крыло еще легче, не сильно увеличивая его воздухопроницаемость.
- Новый, ранее не описанный стиль полета. Щетинистые задние крылья движутся по необычной траектории в форме широкой восьмерки, совершая гребные движения, чередующиеся с хлопками над и под телом жука.
Аэродинамика в условиях миниатюризации
Для столь мелких насекомых, как перокрылки, силы вязкого трения соизмеримы с силами инерции и весом тела. В результате:
- Воздух из-за высокого вязкого трения «прилипает» к щетинкам крыла, практически не проходя между ними. Более легкое (и подверженное меньшим силам инерции) щетинистое крыло работает почти как сплошное, подобно перу птицы.
- Однако подъемной силы, создаваемой крылом, недостаточно для поддержания веса тела. Значительная часть аэродинамических сил создается за счет сопротивления крыльев, движущихся под большими углами атаки.
Такой стиль полета во многом похож на гребной тип плавания у некоторых ракообразных (например, ветвистоусых или жаброногих раков): крылья совершают гребные движения, затем складываются и возвращаются в исходное положение для следующего гребка.
Роль надкрылий
Надкрылья (видоизмененные передние крылья) у перокрылок движутся с большей угловой амплитудой, чем у большинства крупных жуков. Показано, что таким образом они служат инерционными тормозами, предотвращая чрезмерные колебания тела, которые могли бы возникнуть из-за специфического движения крыльев.
Значение и перспективы
- Изучение аэродинамики миниатюрных щетинистых крыльев важно, поскольку аналогичные условия потока характерны для многих миниатюрных природных и искусственных объектов.
- Новые знания помогают понять биологию микронасекомых, их потенциал расселения и роль в экосистемах.
- Принципы машущего полета насекомых уже используются при проектировании экспериментальных беспилотных микролетательных аппаратов. Знания о полете микронасекомых могут в будущем помочь инженерам создать устройства размером с самых маленьких летающих насекомых.
Комментарий соавтора, доцента Сколтеха Дмитрия Коломенского: «Мы разработали адаптивный алгоритм, способный детально и с произвольной точностью описывать движение на столь разных масштабах — от диаметра щетинки (сотни раз меньше длины тела) до масштаба тела насекомого. Мы считаем, что он может оказаться полезным для решения широкого круга задач, требующих многоуровневого моделирования».
Команда планирует столь же детально изучить полет других миниатюрных насекомых, чей летательный аппарат устроен иначе из-за независимой миниатюризации.