Ученые кафедры энтомологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Сергей Фарисенков, Петр Петров, Алексей Полилов и сотрудник Сколтеха Дмитрий Коломенский изучили, как менялись крылья мельчайших жуков при уменьшении их размеров в ходе эволюции, и выяснили, почему большинству микронасекомых свойственны необычные крылья, похожие на перышки. Подготовленная авторами упрощенная компьютерная модель, из которой следует, как в ходе миниатюризации должно было меняться строение крыльев, хорошо соответствует полученным ими данным о крыльях реальных жуков разных размеров. Это подтверждает правильность сформулированной этой исследовательской группой концепции, объясняющей необычное строение крыльев микронасекомых. Понимание этих механизмов может помочь в создании искусственных летательных аппаратов крошечных размеров.
Исследование, финансируемое Российским научным фондом, показало, что ( грант № 22-74-10010), опубликованы в журнале Материалы Национальной академии наук США (PNAS), и изображение, созданное для него, появилось на обложке журнала.
Крошечные насекомые сопоставимы по габаритам с одноклеточными организмами (длина их тела у многих не превышает 0,5 мм), однако демонстрируют сложное поведение и сохраняют способность к полету. Как ранее показала та же группа исследователей, наименьшие жуки перемещаются в пространстве с той же скоростью и маневренностью, что и их более крупные сородичи. В связи с этим возник вопрос: каким образом это возможно? Предполагалось, что ответ кроется в особенностях строения крыльев, характерных не только для наименьших жуков, но и для представителей других, наименьших групп насекомых. В отличие от крылатых насекомых большего размера, большинство из них обладают не сплошными крыльями, а крыльями, напоминающими перышки: от тонкой крыловой пластинки по краю отходят длинные щетинки, на густой гребенке которых приходится более половины общей площади крыла.
По идее, «негерметичные» крылья должны испытывать значительно большее сопротивление воздуха по сравнению с цельными. Однако этого не происходит, подобно тому, как крылья птиц не пропускают значительно больше воздуха, чем крылья летучих мышей. Это связано с тем, что при движении объекта в жидкости или газе небольшой слой этой жидкости или газа, как правило, прикрепляется к движущемуся объекту и перемещается вместе с ним. В обычных условиях земной атмосферы такой слой воздуха, прилипающий к движущемуся объекту, имеет толщину всего несколько микрометров. Эта величина сопоставима с шириной промежутков между щетинками перистых крыльев микронасекомых и бородками в опахале птичьего пера. В связи с этим воздух заполняет эти промежутки, что делает перистые крылья насекомых и перья птиц практически непроницаемыми для воздуха.
В представленной работе продемонстрировано, что в процессе эволюции и уменьшения размеров жуков изменялись количество щетинок по краю крыла и расстояние между ними, что обеспечивало оптимальную проницаемость крыла для воздушного потока. Параллельно менялись диаметр и длина щетинок, определяя оптимальную жесткость крыла. Таким образом, у самых мелких жуков крылья имеют значительно меньше щетинок по сравнению с их более крупными сородичами, также обладающими перистыми крыльями, однако при изменении размеров ширина промежутков между щетинками сохраняется примерно неизменной.
Возможно, в перспективе такая технология полета будет применена и в миниатюрных беспилотных устройствах. Для этого требуется дальнейшее изучение принципов полета микроскопических насекомых.
«Для тех групп насекомых, в состав которых входят многочисленные виды, размеры которых не превышают миллиметра, характерны общие адаптации, обусловленные такими крошечными габаритами, — поясняет Алексей Полилов, руководитель кафедры энтомологии биологического факультета МГУ. — В рамках данного исследования мы детально изучили оптимизацию параметров крыльев перистых насекомых, используя микрожуков в качестве модельного объекта. В дальнейшем планируется расширить анализ на другие миниатюрные виды, включая микронаездников и трипсов ».
Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ