Жуки-перокрылки плавают в воздухе

Одни из самых мелких насекомых в мире изобрели собственный стиль полёта.

Жуки-перокрылки — одни из самых маленьких насекомых, некоторые виды имеют в длину всего 0,3–0,4 мм. Своё название они получили из-за особого строения крыльев. Как у всех жуков, крыльев у них две пары, и передняя пара преобразована в жёсткие надкрылья. А вот задние крылья у перокрылок довольно специфические: если у обычных жуков крылья задней пары выглядят как широкая сплошная пластинка, то у перокрылок эта пластинка очень узкая и окаймлена выростами — их крыло напоминает отчасти птичье перо.

Не так давно сотрудники Московского государственного университета (МГУ) вместе с коллегами из Ростокского университета, Токийского технологического института и Университета Тиба обнаружили, что перокрылки летают столь же быстро, как более крупные жуки, и развивают большее ускорение. Более того, если измерить скорость перокрылок в размерах тела, которые они пролетают за единицу времени, то окажется, что эта скорость у них больше, чем у каких-либо других животных.

В новой статье в Nature исследователи описывают, как перокрылкам удаётся так быстро летать. Жуков помещали в специальный бокс, где их полёт снимали две высокоскоростные видеокамеры. По видеозаписям делали трёхмерную реконструкцию движений крыльев, надкрылий и тела, что позволило выполнить точные аэродинамические расчёты. Строение крыльев жуков изучили с помощью сканирующего электронного и конфокального лазерного микроскопов.

Один из самых мелких жуков-перокрылок Paratuposa placentis рядом с амёбой. Иллюстрация: Farisenkov et al., 2021.

Как говорят авторы работы, при моделировании движения живых организмов в воде или воздухе обычно применят два принципиально разных вычислительных подхода: первый используется для моделирования крупных летающих и водоплавающих животных, второй — для микроскопических существ, передвигающихся с помощью биений жгутика. Движение воздуха вблизи отдельно взятой щетинки на крыле жука-перокрылки крайне вязкое и похоже на движение жидкости вблизи жгутика. Но в масштабах тела насекомого движение воздуха в значительной степени определяется силами инерции. Сложность здесь в том, что диаметр щетинки в сотни раз меньше длины тела. Поэтому понадобилось разработать специальный алгоритм, позволяющий детально описать очень разные масштабы движения.

Благодаря миниатюрности жуков силы вязкого трения очень велики, и воздух практически не проходит между щетинками. Из-за низкой проницаемости перистые крылья почти не уступают в аэродинамической эффективности обычным, при этом у них меньшая масса и, следовательно, меньшая инерция. Перокрылки 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 по траектории широкой восьмёрки, сходясь в хлопках над телом и под телом жука. Жёсткие же надкрылья совершают взмахи с необычайно большой для жуков амплитудой, играя роль инерционного тормоза, компенсирующего вращение тела, которое возникает в результате необычной траектории движения крыльев. Это совершенно особый стиль полёта, до сих пор ни у кого не встречавшийся.

В дальнейшем исследователи собираются аналогичным образом изучить полёт других микронасекомых. Дело не только в том, чтобы лучше понять их биологию и роль в экосистемах — не исключено, что их аэродинамические находки помогут инженерам, которые занимаются конструированием миниатюрных летающих устройств.

По материалам пресс-службы МГУ