Биологи выяснили, как микроскопическим жукам удается не отставать от более крупных сородичей

Миниатюризация — уменьшение размеров тела животного в процессе эволюции — одно из основных направлений эволюции насекомых, в процессе которого они могут уменьшиться до размеров одноклеточных организмов. При этом таким микронасекомым удается сохранить сложное строение и поведение и даже приобрести уникальные характеристики.

В 2020 году группа исследователей из МГУ обнаружила, что некоторые виды из семейства перокрылок (лат. Ptiliidae) способны преодолевать 975 длин собственного тела в секунду — на сегодня это самая высокая относительная скорость среди всех животных, для которых измерен такой показатель.

Кроме того, перокрылки не уступают по развиваемой скорости втрое более крупным представителям родственных групп жуков и развивают большее ускорение, чем на порядок более крупные жуки. В чем их секрет, исследователи из МГУ и Сколтеха совместно с коллегами из Германии и Японии решили выяснить на примере одного из самых маленьких жуков-перокрылок Paratuposa placentis, длина тела которого составляет всего 395 микрометров.

Жуков для изучения отлавливали во Вьетнаме, а затем помещали в специальный бокс и снимали их полет на две высокоскоростные видеокамеры. На основе видео ученые создали трехмерную реконструкцию движения крыльев, надкрылий и тела насекомых. Это позволило провести точные аэродинамические расчеты. Строение крыльев анализировали с помощью сканирующего электронного и конфокального лазерного микроскопов.

Исследование показало, что секрет быстрого полета перокрылок — в строении крыльев и траектории их взмахов в виде широкой восьмерки. Узкая крыловая пластина крыла перокрылок обрамлена по периферии длинными щетинками, выполняющими ту же функцию, что птичьи перья. В результате крыло получается более легким, чем мембранозное, но не уступает ему по эффективности. Стиль полета во многом похож на плавание: крылья совершают гребные движения, а затем схлопываются и возвращаются в исходную позицию для следующего взмаха. А жесткие надкрылья выполняют роль инерционного тормоза и компенсируют вращение тела, которое возникает из-за необычной траектории движения крыльев.

Результаты исследования имеют два приложения — биологическое и инженерное: с одной стороны, они 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.

Ученые также предполагают, что разработанный ими адаптивный алгоритм может пригодиться при решении других задач, требующих многомасштабного моделирования. Особенность в том, что он позволяет одновременно описывать движение в разных масштабах — например, тела перокрылки и щетинок на поверхности ее крыла, которые в сто раз меньше по размеру.

Подробнее результаты нового исследования описаны в статье, опубликованной в журнале Nature.