Изменение формы крыльев помогает мелким журчалкам оставаться в воздухе

Анализ полёта журчалок показывает, что конструкция крыла, а не более быстрое взмахивание, позволяет самым мелким видам генерировать достаточную для полёта подъёмную силу.

Исследование, опубликованное в eLife, демонстрирует, что нет значимой связи между размером тела и кинематикой крыла — характером движений крыльев при взмахах. Вместо этого изменения формы и размера (морфологии) крыла позволяют более мелким журчалкам оставаться в воздухе. Эти находки помогают объяснить, почему крылья насекомых эволюционировали столь разнообразными.

Физика полёта усложняется с уменьшением размера животного. Для журчалок зависание на месте в воздухе во время питания нектаром или охраны территории для спаривания — критически важное поведение, требующее точного контроля полёта. Крупные виды могут генерировать подъёмную силу относительно короткими крыльями, но мелкие виды сталкиваются с более сложной задачей, так как их способность создавать подъёмную силу с каждым взмахом уменьшается относительно массы тела при сокращении размера.

Исследователи изучили взаимосвязь между морфологией крыла и массой тела у 28 видов журчалок массой от 3 до 132 миллиграмм (мг). Также они оценили, как морфология крыла и кинематика взмахов соотносятся с массой тела для восьми видов массой от 5 до 100 мг.

Они измерили:

• Размах крыла
• Площадь крыла
• Среднюю хорду (среднюю ширину крыла)
• Второй момент площади (S₂) — показатель распределения площади крыла вдоль его длины, влияющий на генерацию подъёмной силы.

Для восьми более мелких видов учёные снимали последовательности зависания с помощью трёх синхронизированных высокоскоростных камер. Эта стереоскопическая установка позволила реконструировать 3D-движения крыльев и тела и измерить ключевые параметры взмаха: частоту и углы.

Результаты:

• Кинематика взмахов не менялась значительно с размером тела: мелкие журчалки не махали крыльями быстрее или с большей амплитудой.
• Морфология крыла менялась систематически: у мелких видов были пропорционально более длинные крылья и более высокие значения S₂. Это означает, что большая площадь их крыла была расположена дальше от основания (шарнира), что давало большее рычажное усилие.
• Несмотря на разнообразие форм, паттерн вертикальной силы сохранялся у всех видов. Каждый полувзмах создавал небольшой пик подъёмной силы, за которым следовал более крупный, причём обратный взмах обычно был сильнее.

Затем исследователи использовали компьютерное моделирование, сочетая форму крыла каждого вида с усреднённым общим паттерном взмаха, чтобы проверить, какую аэродинамическую подъёмную силу может генерировать одна лишь морфология крыла. Эти гидродинамические симуляции воспроизвели наблюдаемые различия в подъёмной силе между видами, показав, что большая часть вариаций в поддержании веса обусловлена формой крыла, а не движением при взмахе.

Авторы отмечают ограничение работы — отсутствие учёта взаимодействия между движением крыла и функцией мышц (физиологией). Будущие исследования, интегрирующие физиологию мышц с аэродинамическим моделированием, необходимы для дополнения этого подхода.

Вывод: Мелкие журчалки решают проблему физики полёта не за счёт изменения характера взмахов, а за счёт иного строения. Удлиняя размах крыла и смещая бóльшую площадь поверхности от основания, самые мелкие виды генерируют необходимую дополнительную подъёмную силу, не меняя свой специализированный паттерн взмаха.