© Farisenkov et al., 2021 (cropped) Внешний вид жука-перокрылки Paratuposa placentis и его размеры по сравнению с амебой Amoeba proteus
© Farisenkov et al., 2021 (cropped)
Внешний вид жука-перокрылки Paratuposa placentis и его размеры по сравнению с амебой Amoeba proteus
Исследователи из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и Сколтеха вместе с коллегами из Германии и Японии на примере жуков из семейства перокрылок раскрыли и подробно описали механизмы, лежащие в основе необычайно быстрого полета микронасекомых. А также засняли в мельчайших деталях сам процесс полета с помощью специально разработанной установки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Скорость полета насекомого обычно определяется его размером: чем крупнее насекомое, тем быстрее оно летает. Однако некоторые миниатюрные насекомые противоречат этому правилу. Яркий пример — жук Paratuposa placentis из семейства перокрылок. При размерах менее полмиллиметра но он может летать со скоростью, аналогичной той, которую достигают насекомые в три раза больше его. Более того, они развивают ускорение, на порядок превышающее этот параметр у крупных жуков, а по преодолеваемому за единицу времени расстояния, исчисляемого в размерах тела, превосходят всех известных животных. Но за счет чего им это удается, до сих пор оставалось неизвестным.
Ученые под руководством заведующего кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ Алексея Полилова исследовали жуков, отловленных во Вьетнаме. Они помещали насекомых в специальный бокс, а затем снимали полет на две высокоскоростные видеокамеры. По видеозаписям сделали трехмерную реконструкцию движения крыльев, надкрылий и тела, а затем, с помощью специального программного обеспечения, выполнили точные аэродинамические расчеты. Строение крыльев жуков изучили с помощью сканирующего электронного и конфокального лазерного микроскопов. Столь комплексное исследование позволило впервые детально разобраться в механизме полета микронасекомых.
Авторы обнаружили, что у жука Paratuposa placentis не только щетинистые крылья, которые легче перепончатых того же размера, но и то, что эти крылья двигаются ранее неизвестным образом — цикл взмаха состоит из двух мощных полувзмахов, создающих большую восходящую силу, за которыми следуют два медленных восстановительных взмаха, производящих меньшую направленную вниз силу. Этот цикл увеличивает амплитуду. Надкрылья при этом функционируют как тормоза, останавливая чрезмерные колебания.
“Мы выяснили на примере одного из самых маленьких жуков-перокрылок Paratuposa placentis, что их высокие летные характеристики обеспечены несколькими адаптациями, — приводятся в пресс-релизе Сколтеха слова первого автора статьи, младшего научного сотрудника кафедры энтомологии биологического факультета МГУ Сергеч Фарисенкова. — 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”.
По мнению авторов, крылья из щетинок не требуют такой мышечной силы, как более тяжелые перепончатые крылья. При такой миниатюрности воздух практически не проходит между щетинками, и перистые крылья микронасекомых почти не уступают в аэродинамической эффективности перепончатым крыльям, имея при этом меньшую массу и, как следствие, инерцию. Полет при этом во многом похож на плавание: крылья совершают гребные движения, а затем схлопываются и возвращаются в исходную позицию для следующего взмаха.
Ученые считают, что такое изменение строения крыльев и механизма полета стало следствием процесса миниатюризации, когда животные должны были сохранять сложные формы передвижения и поведения при исключительном уменьшении размеров тела.
8 декабря 2021, 11:58Наука
Ученые описали самое большое летающее существо в истории Земли