Энтомологи открыли и подробно описали механизмы, лежащие в основе необычайно быстрого полета самых маленьких летающих насекомых — жуков из семейства перокрылок (Ptiliidae). Результаты исследования, с одной стороны, помогут лучше понять биологию микронасекомых, их возможности для распространения и роль в экосистемах, с другой — могут быть использованы при проектировании экспериментальных миниатюрных летательных аппаратов, использующих принцип машущего полета.
Абсолютный рекорд по миниатюрности среди насекомых принадлежит насекомым-паразитам. Самыми маленькими в мире насекомыми признаны самцы наездника Dicopomorpha echmepterygis, длина которых — 0,139 миллиметра, что меньше размера инфузории-туфельки. Среди же свободноживущих насекомых самые мелкие принадлежат к семейству жуков перокрылок, или перистокрылок. Название они получили из-за бахромы из волосков по краю крыльев.
Гиганты среди жуков-перокрылок достигают четырех миллиметров, но у многих видов длина составляет доли миллиметра. Ученым приходится применять для исследования этих жуков оптические и электронные микроскопы. Столь малые размеры вызвали значительные изменения в строении этих жуков. Поскольку из-за капиллярных сил в таком масштабе затруднено движение гемолимфы в сосудах насекомых, у них нет сердца и кровеносной системы. Передача веществ в организме происходит за счет диффузии. Редуцируется у перокрылок и значительная часть пищеварительной системы. Среди других удивительных особенностей этих жуков — существование у них безъядерных нейронов.
Перокрылки делятся на 80 родов, которые содержат более 600 описанных видов, но большое количество образцов в коллекциях всё еще ожидает описания, и истинное количество видов, вероятно, намного больше. Самые древние ископаемые представители этого семейства известны с мелового периода, они найдены в ливанском (125 млн лет) и бирманском (99 млн лет) янтаре. Встречаются перокрылки по всему миру, за исключением полярных зон. Живут они в лесной подстилке, под корой, в грибах, в экскрементах животных, питаясь бактериями и микроскопическими грибами. Некоторые виды перокрылок приспособились к жизни в муравейниках.
Кто же из жуков-перокрылок самый-самый маленький? Как выяснилось в 2015 году, этот рекорд принадлежит жуку Scydosella musawasensis, описанному в 1999 году по нескольким добытым в Никарагуа экземплярам. Один из ведущих специалистов по перокрылкам и эффектам миниатюризации у насекомых Алексей Полилов из МГУ исследовал в 2015 году 85 экземпляров этого жука, собранных в национальном парке Чикаке в Колумбии, и самый маленький из них, как сообщается в статье, опубликованной в электронном научном журнале ZooKeys, имел в длину всего 0,325 миллиметра. Жук Scydosella musawasensis обитает внутри трубчатого слоя грибов (в данном случае грибов Steccherinum sp.). Для измерения жука пришлось использовать специальное программное обеспечение и цифровую фотографию, сделанную при помощи растрового электронного микроскопа. Если у самого маленького экземпляра длина составила 0,325 мм, то самый крупный вырос до 0,352 мм, а средняя длина жуков составила 0,338 мм. Максимальная ширина тела жуков составляет от 0,098 до 0,104 мм.
Нынешнее исследование, проведенное под руководством Алексея Полилова, стало продолжением работ по изучению влияния миниатюризации на строение и работу организма насекомых. Помимо ученых из МГУ, в нем участвовали их коллеги из Сколтеха, Токийского технологического института, Ростокского университета, Совместного российско-вьетнамского центра тропических исследований и технологий и Университета города Тиба. А главным героем работы стал жук из семейства перокрылок Paratuposa placentis, обитающий во Вьетнаме. Длина его тела в среднем составляет 0,395 мм, что сопоставимо с размером амебы. Весят эти жуки 0,00243 грамма.
Ранее ученые обнаружили, что жуки-перокрылки летают значительно быстрее, чем ожидалось бы исходя из наших знаний о соотношении размеров тела животного и скорости его полета. Обычно скорость полета тем выше, чем крупнее летающее существо. Но перокрылки, как выяснилось, летают со той же скоростью, что и жуки, которые втрое крупнее перокрылок. Также перокрылки развивают большее ускорение, чем на порядок более крупные жуки, и по числу преодолеваемых за единицу времени размеров тела превосходят вообще всех животных, для которых известна эта характеристика. Как достигают миниатюрные жуки такого эффективного полета, оставалось неизвестным.
Ученые в лабораторных условиях снимали полет этих жуков на высокоскоростные видеокамеры. Строение крыльев жуков изучили с помощью сканирующего электронного и конфокального лазерного микроскопов. По видеозаписям была сделана трехмерная реконструкция движения крыльев, надкрылий и тела, что позволило выполнить точные аэродинамические расчеты. При этом сначала пришлось разработать специальные вычислительные методы, подходящие для описания аэродинамики перокрылок. «Традиционно существует два принципиально разных вычислительных подхода: первый используется для моделирования крупных летающих и водоплавающих животных, второй — для жгутиковых. Движение воздуха вблизи отдельно взятой щетинки крыла крайне вязкое и похоже на движение жидкости вблизи жгутика. Но в масштабах тела насекомого движение воздуха в значительной степени определяется силами инерции. Сложность состоит в том, что диаметр щетинки в сотни раз меньше длины тела. Поэтому был разработан адаптивный алгоритм, позволяющий детально описать с заданной точностью столь разные масштабы движения. Мы полагаем, что он окажется полезным при решении широкого круга задач, требующих многомасштабного моделирования», — объясняет один из авторов работы, старший преподаватель Сколтеха Дмитрий Коломенский.
Оказалось, что Paratuposa placentis использует в своем полете ряд адаптаций. «Во-первых, это облегчённые в несколько раз крылья, которые, в отличие от крыльев крупных жуков, имеют очень узкую мембрану, окаймлённую 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 полёта задние крылья, которые в покое сложены под жёсткими 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», — рассказывает первый автор исследования, младший научный сотрудник кафедры энтомологии биологического факультета МГУ Сергей Фарисенков.
Фотография разработанной Сергеем Фарисенковым установки для скоростной записи свободного полета микронасекомых на четыре синхронизированные камеры с инфракрасным светодиодным и лазерным освещением (пресс-служба Сколтеха)
При такой степени миниатюризации силы вязкого трения очень велики, поэтому воздух практически не проходит между щетинками. Благодаря низкой проницаемости перистые крылья микронасекомых почти не уступают в аэродинамической эффективности мембранозным, имея при этом меньшую массу и, как следствие, инерцию. Микронасекомые создают значительную часть аэродинамических сил за счет лобового сопротивления крыльев, движущихся на больших углах атаки. Их полет во многом похож на плавание: крылья совершают гребные движения, а затем схлопываются и возвращаются в исходную позицию для следующего взмаха.
Трехмерная визуализация потоков воздуха во время взмахов крыльев жука-перокрылки Paratuposa placentis в виде изоповерхностей ротора скорости вихрей. Из Farisenkov et al., 2021 с изменениями
Кадры видеозаписи полёта жука-перокрылки Paratuposa placentis (верхний ряд), трёхмерная компьютерная реконструкция движения крыльев (средний ряд) и визуализация завихрений потоков воздуха (нижний ряд). Из Farisenkov et al., 2021 с изменениями.
«Теперь мы планируем так же подробно изучить полет других миниатюрных насекомых. Мы уже начали исследования, пользуясь набором методов, позволившим нам разобраться в механике полета жуков-перокрылок. Крыловой аппарат других мельчайших насекомых устроен несколько иначе, а миниатюризация проходила у них независимо. Поэтому мы ожидаем, что наши исследования принесут новые открытия. Изучение аэродинамики миниатюрных перистых крыльев — это важная задача, потому что такие условия обтекания характерны для многих миниатюрных живых и неживых объектов. 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», — прокомментировал исследование Алексей Полилов.
Итоги исследования опубликованы в журнале Nature, кратко о них рассказала пресс-служба Сколтеха.