В этом новом исследовании биологи — сотрудники Московского государственного университета (МГУ) вместе с коллегами из Ростокского университета, Токийского технологического института и Университета Тиба проанализировали полет миниатюрного пернатого жука. Жук-перокрылка Paratuposa placentis имеет особенный стиль полета. Почему так происходит — информация в этой статье.
На основе данных световой, конфокальной и электронной микроскопии ученые построили кинематическую модель с использованием синхронизированной высокоскоростной видеосъемки и динамическая модель с использованием вычислительных методов механики твердого тела и жидкости. Комбинация этих методов дала всестороннее представление о том, как работают щетинистые крылья, и объясняет, почему обычные летающие насекомые размером менее миллиметра имеют щетинистые, а не перепончатые крылья.
Жук-перокрылка; из-под надкрыльев видны перистые крылья. (Фото: Nigel Jones / Flickr.com)
Почему обычные летающие насекомые размером менее миллиметра имеют щетинистые, а не перепончатые крылья?
Скорость полета положительно коррелирует с размером тела у животных. Однако миниатюрные пернатые жуки могут летать со скоростью и ускорением насекомых, в три раза превышающих их размер. Исследователи показали, что эти характеристики являются результатом уменьшенной массы крыла и ранее неизвестного типа цикла движения крыла.
Новый эксперимент сочетает в себе трехмерные реконструкции морфологии и кинематики одного из самых маленьких насекомых, жука Paratuposa placentis.(длина тела 395 мкм). Взмахи щетинистыми крыльями следуют выраженной петле в форме восьмерки, состоящей из субперпендикулярных взмахов вверх и вниз, за которыми следуют хлопки при изменении хода над и под телом.
Надкрылья действуют как инерционные тормоза, предотвращающие чрезмерные колебания тела. Вычислительный анализ предлагает функциональную декомпозицию цикла взмаха крыла на два мощных полувзмаха, которые создают большую восходящую силу, и два полувзмаха восстановления с протаскиванием вниз. В отличие от более тяжелых перепончатых крыльев, движение щетинистых крыльев того же размера требует небольшой инерционной силы.
a – c , изображения сканирующей электронной микроскопии, показывающие относительный размер P. placentis (слева) и A. proteus (справа) ( a ), крыло P. placentis ( b ) и часть щетинки ( c ). Каждое изображение было получено из одного случайно выбранного образца; подробную морфометрию см. в дополнительной информации.
Таким образом, потребность мышц в механической мощности остается положительной на протяжении всего цикла взмахов крыльев, что делает накопление упругой энергии устаревшим. Эти приспособления помогают объяснить, как чрезвычайно маленькие насекомые сохранили хорошие летные качества во время миниатюризации. Это один из факторов их эволюционного успеха.
Почему же миниатюрные насекомые, как жук-перокрылка могут быстро летать?
Научные исследования микроскопического мира, движимые любопытством к мельчайшим объектам, способствовали миниатюризации различных промышленных продуктов. Но миниатюризация — это не просто искусственная уловка: в живом мире полно историй успеха миниатюризации. На протяжении более 300 миллионов лет экологическое давление вынуждало насекомых развивать чрезвычайно маленькие тела до 200 мкм в длину, не теряя при этом способности летать.
Поскольку физические свойства полета зависит от размера, ограничений, которые незначительны в макромасштабе становятся существенными в микро масштабе, и наоборот. По сравнению с более крупными размерами, в полете малых размеров преобладает вязкое трение воздуха, а не силы инерции, возникающие в результате ускорения окружающего воздуха. Эта конкуренция между трением и инерцией является ключевой для полета в любом масштабе и, таким образом, применима ко всем животным, которые передвигаются по воздуху.
Крупные насекомые обычно летают быстрее, чем мелкие. Тем не менее, некоторые из самых маленьких насекомых летают на удивление хорошо. Например, недавно было обнаружено, что крошечные пернатые жуки (Coleoptera: Staphylinoidea: Ptiliidae) обычно летают с такой же скоростью, что и их более крупные родственники (Staphylinidae), несмотря на трехкратную разницу в длине тела.
Более того, птилииды могут разгоняться в два раза быстрее, чем жуки-падальщики (Staphylinoidea: Silphidae), хотя последние на порядок крупнее. Поскольку размер летательной мускулатуры у Ptiliidae меньше, чем у более крупных жуков 5, их превосходные летные характеристики должны быть результатом своеобразного строения их крыльев и стиля полета.
Птилииды имеют крылья с перьями и щетиной — состояние, известное как птилоптерия, — вместо перепончатых крыльев, которыми обладает большинство насекомых. Эта визуально бросающаяся в глаза модификация летательного аппарата развилась конвергентно у чрезвычайно мелких представителей нескольких отрядов насекомых. Однако функциональные преимущества птилоптерии остаются в значительной степени неизвестными.
