Российские ученые и их иностранные коллеги раскрыли механизмы, лежащие в основе полета жуков-перокрылок. Это миниатюрные жуки, отличающиеся своей крайне высокой скоростью. Новые знания помогут лучше понять биологию микронасекомых, а также могут быть полезны при разработке миниатюрных летательных аппаратов. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Миниатюризацией биологи называют ситуацию, когда вид значительно уменьшается по сравнению со своими предками. Это явление затронуло множество видов насекомых, из-за чего некоторые представители отличаются поистине крошечными размерами. Их даже можно сравнить с одноклеточными организмами, например с амебой или инфузорией-туфелькой. При этом такие животные остаются многоклеточными и демонстрируют соответствующее сложное поведение. К таким существам относятся и жуки-перокрылки (Paratuposa placentis).
Недавнее исследование показало, что миниатюрные жуки-перокрылки не уступают в скорости полета представителям родственных групп жуков, которые в несколько раз крупнее. Более того, жуки-перокрылки гораздо быстрее всех похожих существ. Но механизм их полета до сих пор оставался неясным. В новом исследовании ученые использовали комплексный подход, который позволил детально разобраться в механизме полета микронасекомых.
Жуков-перокрылок, отловленных во Вьетнаме, помещали в специальный бокс. Затем их полет снимали на специальные камеры, распознающие высокую скорость. На основе видеозаписей ученые создали трехмерную реконструкцию движения крыльев, надкрылий и тела. Все это позволило выполнить точные аэродинамические расчеты с помощью специального программного обеспечения. Строение крыльев исследователи изучили с помощью сканирующего электронного и конфокального лазерного микроскопов.
«Наша работа сочетает современные морфологические методы, трехмерную реконструкцию движения частей тела в полете и новые подходы в вычислительной аэродинамике, что позволило разобраться в исключительно эффективном механизме полета этих насекомых. Мы выяснили на примере одного из самых маленьких жуков-перокрылок Paratuposa placentis — длина их тела составляет меньше 400 микрометров, — что их высокие летные характеристики обеспечены несколькими адаптациями. Во-первых, это облегченные в несколько раз крылья, которые, в отличие от крыльев крупных жуков, имеют очень узкую мембрану, окаймленную веером из щетинок, покрытых длинными выростами, что по строению напоминает птичье перо. Во-вторых, жуки-перокрылки имеют ранее неизвестный и описанный нами в этой статье стиль полета. Как и другие жуки, Paratuposa placentis использует для полета задние крылья, которые в покое сложены под жесткими надкрыльями — преобразованной передней парой крыльев. Перистые задние крылья движутся по траектории в виде широкой восьмерки, совершая гребные движения, чередующиеся с хлопками как над телом жука, так и под ним. Жесткие надкрылья совершают взмахи с необычайно большой для жуков амплитудой, выполняя роль инерционного тормоза, компенсирующего вращение тела, возникающее в результате необычной траектории движения крыльев», — поясняет Сергей Фарисенков, первый автор статьи, младший научный сотрудник кафедры энтомологии биологического факультета МГУ.
Силы вязкого трения крайне велики из-за подобной степени миниатюризации. Благодаря этому воздух практически не проходит между щетинками. Крылья жуков-перокрылок имеют низкую проницаемость, меньшую массу и инерцию, что обеспечивает высокую скорость передвижения. Большую часть аэродинамических сил этим насекомым обеспечивает лобовое сопротивление крыльев, которые движутся на больших углах атаки.
Исследователи планируют изучить полет и других миниатюрных насекомых. Их крылья отличаются от крыльев жуков-перокрылок, а процесс миниатюризации проходил у этих видов независимо. Именно поэтому дальнейшее изучение принесет множество полезных открытий. «Новые знания о полете микронасекомых позволяют лучше понять их биологию, возможности для распространения и роль в экосистемах. Кроме того, принципы машущего полета насекомых уже используются инженерами при проектировании экспериментальных беспилотных летательных аппаратов. Миниатюризация — распространенный тренд не только в эволюции некоторых групп животных, но и в развитии технологий, поэтому в отдаленном будущем знания о полете микронасекомых могут помочь в создании различных рукотворных устройств», — заключает Алексей Полилов, руководитель исследования, заведующий кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
