Как жуки-перокрылки меняли свои крылья
У всех жуков две пары крыльев, из которых передняя пара, как известно, преобразована в жёсткие надкрылья, задние же крылья служат для полёта и выглядят у большинства как широкая сплошная пластинка. Перокрылки – исключение: у них пластинка заднего крыла очень узкая и окаймлена длинными выростами, на их густую гребенку которых приходится больше половины общей площади крыла. Крылья перокрылок напоминают отчасти птичье перо, откуда и название семейства.
Прежде считалось, что обладатели таких крыльев летают плохо и перемещаются в основном за счет того, что ветер носит их, как пушинки. Но несколько лет назад сотрудники Московского государственного университета (МГУ) вместе с коллегами из других научных центров выяснили, 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. Перокрылки совершают широкие взмахи крыльями, отчасти напоминающие движения вёсел при гребле. Такой стиль полёта позволяет им преодолевать вязкость воздуха, которая них оказывается очень велика. Воздух взаимодействует с летящим телом по всей его поверхности, но чем меньше тело, тем больше у него отношение поверхности к массе. Силы вязкого трения пропорциональны площади тела, а инерционные силы, в свою очередь, пропорциональны массе. Крупные насекомые могут довериться инерционным силам, почти не обращая внимания на силы вязкого трения воздуха, а вот мелким приходится буквально продираться сквозь воздух, как лодке, застрявшей в зарослях тростника. Двигаться в такой ситуации удобнее с более лёгкими «вёслами», и вот перокрылки в ходе эволюции научились грести в воздухе и облегчили свои «вёсла»-крылья, сделав их похожими на перья.
Крылья-щёточки крылья должны были бы хуже отталкиваться от воздуха, чем обычные сплошные крылья. Но этого не происходит по той же причине, по какой крылья птиц пропускают не сильно больше воздуха, чем крылья летучих мышей. Дело в том, что при движении любого тела в жидкости или газе небольшой слой жидкости или газа как бы прилипает к движущемуся телу и перемещается вместе с ним. Этот прилипший слой воздуха имеет толщину всего несколько микрометров. Но его толщина сравнима с шириной зазоров между щетинками перистого крыла микронасекомого и бородками в опахале птичьего пера. Поэтому сам воздух затыкает эти зазоры, делая перистые крылья насекомых и перья птиц почти непроницаемыми для самого же воздуха.
Но это только сказать легко, что перокрылки сузили пластину крыла и снабдили её щетинками-выростами. (Точнее, не сами перокрылки перекраивали свои крылья, а в ходе естественного отбора эволюционное преимущество получали те из них, у которых вариации в строении крыла были направлены в подходящую сторону.) До какой степени могла уменьшаться пластинка крыла? Сколько щетинок должно быть на ней и какого они должны быть размера? Крыло должно быть прочным, и при всей своей перьеподобности оно не должно сильно гнуться и тем более ломаться. Наконец, перокрылок есть много видов, причём довольно разных по размеру: есть перокрылки, у которых крыло в длину всего 0,3 мм, а есть, у которых крыло достигает 5 мм.
В новой статье в PNAS те же исследователи из МГУ вместе с коллегами из Сколковского института науки и технологий описывают компьютерную модель миниатюризации насекомых, которая показывает, как при общем уменьшении размеров должно было меняться строение крыльев. Результаты, полученные с помощью модели, согласуются с реальными перокрылками разных размеров, взятых в сравнении друг с другом и с обычным двухсантиметровым жуком из семейства Могильщиков. При уменьшении размеров перокрылок изменения в числе щетинок и расстоянии между ними должны были обеспечить оптимальное взаимодействие с воздухом, а изменения в диаметре и длине щетинок должны были обеспечить оптимальную жёсткость крыла. В результате у самых крошечных жуков крылья несут намного меньше щетинок, чем у более крупных перокрылок, но при этом ширина зазоров между щетинками остается при изменениях размеров более или менее постоянной.
Новые данные, с одной стороны помогают понять некоторые общие закономерности в эволюции насекомых, а с другой, позволяют надеяться, что подобную технику полёта можно приспособить к искусственным летательным аппаратам. Кстати говоря, перокрылки – не единственные такие крошки среди насекомых. Например, на свете есть трипсы и разные микронаездники, которые размером могут быть ещё меньше, чем перокрылки, и чьи крылья тоже снабжены щетинками; ими исследователи собираются заняться в ближайшем будущем.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
По материалам пресс-службы МГУ.