Эта работа проливает свет на одно из замечательнейших явлений эволюции — миниатюризацию, то есть исключительно сильное уменьшение размеров тела животных по сравнению с предковыми формами. У насекомых миниатюризация проходила независимо в нескольких группах и привела к появлению видов, размеры которых составляют десятые доли миллиметра, что сопоставимо с размерами одноклеточных организмов, таких как обыкновенная амёба или инфузория-туфелька. При этом яйцевые наездники, жуки-перокрылки, миниатюрные комары-звонцы и многие другие микронасекомые — это многоклеточные животные, демонстрирующие сложные формы передвижения и поведения.
Однако влияние миниатюризации на строение и функции систем организма до сих пор остаётся малоизученным. Исследованием этого вопроса занимается международная команда под руководством заведующего кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ Алексея Полилова. Недавно эта команда выяснила, что миниатюрные жуки-перокрылки летают столь же быстро, как втрое более крупные представители родственных групп жуков. Более того, они развивают большее ускорение, чем на порядок более крупные жуки, и по числу преодолеваемых за единицу времени размеров тела превосходят всех животных, для которых этот параметр был рассчитан. Но механизм их полёта до сих пор оставался неизвестным.
«Наша работа сочетает современные морфологические методы, трёхмерную реконструкцию движения частей тела в полёте и новые подходы в вычислительной аэродинамике, что позволило разобраться в исключительно эффективном механизме полёта этих насекомых. Мы выяснили на примере одного из самых маленьких жуков-перокрылок Paratuposa placentis — длина их тела составляет меньше 400 микрометров, — что их высокие лётные характеристики обеспечены несколькими адаптациями, — рассказывает первый автор статьи, младший научный сотрудник кафедры энтомологии биологического факультета МГУ Сергей Фарисенков. — 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 полёта. 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 восьмёрки, совершая гребные движения, чередующиеся с хлопками как над телом жука, так и под ним. Жёсткие надкрылья совершают взмахи с необычайно большой для жуков амплитудой, выполняя роль инерционного тормоза, компенсирующего вращение тела, возникающее в результате необычной траектории движения крыльев».
Исследованные жуки были отловлены во Вьетнаме. Их помещали в специальный бокс, а затем снимали полёт на две высокоскоростные видеокамеры. По видеозаписям была сделана трёхмерная реконструкция движения крыльев, надкрылий и тела, что позволило выполнить точные аэродинамические расчёты с помощью специального программного обеспечения. Строение крыльев жуков изучили с помощью сканирующего электронного и конфокального лазерного микроскопов. Столь комплексное исследование позволило впервые детально разобраться в механизме полёта микронасекомых.
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 счёт лобового сопротивления крыльев, движущихся на больших углах атаки. Их полёт во многом похож на плавание: крылья совершают гребные движения, а затем схлопываются и возвращаются в исходную позицию для следующего взмаха.
«Теперь мы планируем так же подробно изучить полёт других миниатюрных насекомых. Мы уже начали исследования, пользуясь набором методов, позволившим нам разобраться в механике полёта 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 полёте микронасекомых позволяют лучше понять их биологию, возможности для распространения и роль в экосистемах. Кроме того, принципы машущего полёта насекомых уже используются инженерами при проектировании экспериментальных беспилотных летательных аппаратов. Миниатюризация — распространённый тренд не только в эволюции некоторых групп животных, но и в развитии технологий, поэтому в отдалённом будущем знания о полёте микронасекомых могут помочь в создании различных рукотворных устройств», — прокомментировал исследование его руководитель, заведующий кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ Алексей Полилов.
«Для изучения аэродинамики миниатюрных насекомых потребовались специализированные вычислительные методы. 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 перистого 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», — добавил соавтор работы, старший преподаватель Сколтеха Дмитрий Коломенский.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда. Кроме сотрудников и студентки МГУ в нём приняли участие сотрудники Сколтеха, Ростокского университета (Германия), а также Токийского технологического института и Университета Тибы (Япония).
Внешний вид жука-перокрылки Paratuposa placentis и его размеры по сравнению с амёбой Amoeba proteus. Из Farisenkov et al., 2021 с изменениями.
Траектория движения вершин крыльев и надкрылий жука-перокрылки Paratuposa placentis в боковой проекции. Из Farisenkov et al., 2021 с изменениями.
Трёхмерная реконструкция траектории движения вершин крыльев жука-перокрылки Paratuposa placentis. Стрелками обозначены направления и относительные величины векторов скорости и аэродинамической силы. Из Farisenkov et al., 2021 с изменениями.
Трёхмерная визуализация потоков воздуха во время взмахов крыльев жука-перокрылки Paratuposa placentis в виде изоповерхностей ротора скорости вихрей. Из Farisenkov et al., 2021 с изменениями.
Адаптивная структура вычислительной области, использованной для трёхмерного аэродинамического расчёта. Область разбита на блоки, размер которых уменьшается вблизи твёрдых тел. Из Farisenkov et al., 2021 с изменениями.
Поля скорости, давления и завихренности потоков воздуха на крыле в двумерных срезах трёхмерной компьютерной симуляции полёта жука-перокрылки Paratuposa placentis. Из Farisenkov et al., 2021 с изменениями.
Фотография разработанной Сергеем Фарисенковым установки для скоростной записи свободного полёта микронасекомых на четыре синхронизированные камеры с инфракрасным светодиодным и лазерным освещением.
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.
Синхронные скоростные видеозаписи полёта жука-перокрылки Acrotrichis sericans. Запись Cергея Фарисенкова и Алексея Полилова.
Синхронные скоростные видеозаписи полёта жука-перокрылки из рода Mikado. Запись Сергея Фарисенкова и Алексея Полилова.
