Исследовательская команда кафедры энтомологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, в которую вошли Сергей Фарисенков, Петр Петров и Алексей Полилов, а также их коллега из Сколтеха Дмитрий Коломенский, провела уникальное исследование эволюционных преобразований крыльев у самых мелких жуков. Ученые выяснили, почему среди микронасекомых столь широко распространено необычное строение крыльев, напоминающих перья. В ходе работы была создана компьютерная модель, помогшая понять, каким образом шло облегчение крыльев в процессе миниатюризации. Полученные модели отлично совпадают с реальными биологическими наблюдениями, что подтверждает обоснованность выдвинутой авторами концепции о развитии уникальных структур крыльев у микронасекомых. Это бурное открытие не только позволяет взглянуть на эволюцию насекомых с нового угла, но и открывает перспективы для проектирования новых сверхмалых летающих робототехнических систем.
Поддержка Российского научного фонда и новаторский подход
Научный проект, получивший грант №22-74-10010 Российского научного фонда, объединил усилия нескольких ведущих российских организаций. Такой масштабный междисциплинарный подход позволил не только тщательно проанализировать морфологию крыльев современных и ископаемых микронасекомых, но и воспроизвести весь эволюционный процесс их облегчения с помощью компьютерного моделирования. Иллюстрация, созданная для отражения главных результатов работы, также была отмечена профессиональным сообществом — процветающий вклад российских ученых в мировую науку был отмечен размещением изображения на обложке уважаемого научного издания.
Микромир крыльев: почему перистые крылья выгоднее?
Микронасекомые, длина тела которых зачастую меньше 0,5 мм, по размерам сопоставимы с одноклеточными организмами, однако их поведение весьма сложно и они, несмотря на крошечные размеры, отлично летают. Предыдущие исследования этой же научной группы уже показали, что мельчайшие жуки способны не уступать по скорости и маневренности своим гораздо более крупным сородичам. На этом фоне возник интригующий вопрос: как же столь малые существа сохраняют столь удивительные летательные возможности?
Ответ оказался в уникальном типе крыльев. В отличие от крупных насекомых с цельными мембранными крыльями, большинство представителей микрофауны имеют перистую структуру: по всему краю узкой крыльевой пластинки отходят длинные тонкие щетинки, формирующие подобие плотной гребенки. Внешне такие крылья напоминают миниатюрные перышки, причем на их долю приходится более половины всей площади крыла. Подобная архитектура обеспечивает не только уменьшение веса, что критично для столь малых организмов, но и позволяет эффективно создавать подъемную силу даже при ограниченной мышечной силе.
Эволюция миниатюризации и компьютерное моделирование
Чтобы разобраться, как эволюционно менялось строение крыльев у различных видов жуков по мере уменьшения размеров тела, ученые взяли на вооружение продвинутые методы моделирования. Они создали математическую модель, которая позволяет проследить, как с уменьшением общей площади крыла увеличивалась доля щетинок на его контуре. Оказалось, что для поддержания основных летательных функций при резком сокращении размеров наиболее выгодной оказывается облегчённая, перистая конструкция, которую можно встретить у многочисленных современных микрорезных жуков и других микронасекомых.
По словам исследователей, подобный подход позволяет не только объяснить многообразие форм, выявленных в природе, но и предсказывать, какая конфигурация крыльев будет наиболее успешной для вновь открытых или даже искусственно созданных миниатюрных летательных аппарат.
Эти находки имеют и прикладное значение — принципы облегчения летательных структур микронасекомых могут послужить основой для разработки малых роботизированных устройств будущего, способных летать в самых тесных пространствах, где человеку или крупной технике попросту не добраться.
Открытие, вдохновляющее на новые технологические рубежи
Работа коллектива Сергея Фарисенкова, Петра Петрова, Алексея Полилова и Дмитрия Коломенского демонстрирует, насколько глубокие механизмы эволюции могут быть востребованы в современных высокотехнологичных разработках. Интерес к сверхмалой бионической технике, в том числе дронам размером с насекомое, только растет, и благодаря выводам этой команды у российских инженеров появляется прочная фундаментальная база для создания инновационных устройств на основе природных принципов.
Таким образом, исследование ученых МГУ и Сколтеха, поддержанное Российским научным фондом, не только позволяет лучше понять устройство микромира, но и расширяет горизонты прикладной инженерии. Внимание к сверхмалым крылатым жителям Земли оборачивается технологическим прорывом, от которого выигрывают и наука, и общество в целом, открывая новые возможности для будущих поколений.
Еще в XX веке считалось, что миниатюрные насекомые с тонкими перистыми крыльями практически не способны к полноценному полету: их, по предположениям ученых того времени, словно пушинки, вперед и вверх подхватывают случайные порывы ветра. Но бурное развитие технологий видеосъемки полностью изменило это представление. Теперь мы знаем: эти воздушные крохи обладают поразительным мастерством в воздухе, а замедленные кадры их полета раскрывают удивительные секреты микроаэродинамики.
Маленькие размеры — большие возможности
Новейшие исследования показали, что малютки-жуки, несмотря на крошечные размеры, очень эффективны в полете. В чем же секрет их успеха? Оказывается, перистые крылья работают наподобие весел гребца. Благодаря таким взмахам, напоминающим технику весла, насекомые преодолевают вязкое сопротивление воздуха, возникающее из-за их миниатюрных пропорций. Когда размеры тела уменьшаются, площадь поверхности становится относительно большей по сравнению с массой — этот физический закон отыгрывает на руку крохотным летунам. Ведь взаимодействие воздуха происходит по всей поверхности, увеличивая влияние вязкого трения в несколько раз, чем, например, для крупных собратьев. Поэтому миниатюрным насекомым приходится приложить куда больше усилий для продвижения в воздухе, в отличие от крупных, которые при разгоне могут долго лететь по инерции.
Чтобы выжить в этом «густом» воздушном мире, крохотные существа пошли по пути совершенствования: они сделали свои крылья еще легче, а их структура стала напоминать изящные птичьи перья. Это весомое эволюционное преимущество позволяет микронасекомым маневрировать и бороться со сложнейшими законами природы.
Перистые крылья: эволюция ловкости
Кажется, будто сквозь прозрачные, «дырявые» крылья должно проходить гораздо больше воздуха, чем через цельные крылья других насекомых. Но на удивление, этого не происходит! Виновником здесь становится уникальный физический эффект: всякое тело, двигаясь через жидкость или газ, увлекает за собой крошечный слой среды, который прочно прилипает к поверхности. В условиях нашей атмосферы такой слой воздуха составляет всего несколько микрометров — почти невидимую толщину.
Зазоры между щетинками на крыле настолько малы, что их можно сравнить с промежутками между частицами птичьего пера. В результате сам воздух «закупоривает» эти микроскопические щели, формируя вокруг крыльев насекомого своеобразную «непроницаемую оболочку». Отсюда становится понятно, почему даже прозрачные, почти невесомые крылья микронасекомых столь эффективны в полете. Природа наделила их способностью обходить гравитационные и аэродинамические ловушки легко и изящно.
Сравнение с птицами и летучими мышами
Этот удивительный механизм действует не только в мире жуков. Похожим принципом пользуются и перья птиц. Хотя перья устроены своеобразно, они не пропускают воздуха больше, чем кожистое или мембранное крыло летучей мыши. Это еще одно подтверждение того, насколько изобретательна природа: схожие принципы используются в организме существ, отстоящих друг от друга на эволюционной лестнице на миллионы лет.
Лишь благодаря мельчайшим деталям строения и взаимодействию физических законов птицы, жуки и даже летучие мыши способны удивлять нас невероятной легкостью и маневренностью во время полета.
Перья и крылья: плюсы микроразмера
Перистые структуры крыльев отлично приспособлены к особым аэродинамическим условиям микромира. Для крупного насекомого или птицы инерция — главный помощник в небе, ведь набрав скорость, они могут долго парить. Но для микроскопических видов все иначе: малый вес и относительная малая инерция обязывают их постоянно взмахивать крыльями, словно взрыхляя плотный воздух, как гребец, вынужденный бороться с густыми водорослями пластмассовым веслом.
Именно облегчённые, «перышковые» крылья, появившиеся в результате долгой эволюции, стали счастливыми билетами в небо для миллионов крошечных созданий. Это замечательный пример биологического изобретательства, подаривший миру микронасекомых, способных удивлять и вдохновлять своей ловкостью и жизнестойкостью.
Природа вдохновляет: уроки у микронасекомых
Необычайная успешность микронасекомых в небе — яркое напоминание о том, как в природе все продумано до мелочей. Их крылья, казавшиеся ученым прошлого века неприспособленными для полета, оказались настоящим технологическим шедевром эволюции. Подобные открытия вдохновляют исследователей на изучение новых принципов аэродинамики, которые, возможно, в будущем найдут применение в самых инновационных разработках.
Разнообразие мира насекомых и их способность летать поражают воображение, а продвинутая видеосъемка продолжает открывать перед нами все новые страницы этой удивительной истории. Будущее авиации, может быть, и начнется с наблюдения за крохотным жуком — тому свидетельство удивительный механизм их невидимых перышковых крыльев.
Новое исследование раскрывает удивительные детали тонкой регулировки крыльев у самых мелких жуков. Оказалось, что по мере уменьшения размеров этих насекомых происходили значительные изменения в их крыльях: сокращалось количество щетинок по краю, а расстояния между ними корректировались так, чтобы крылья оставались проницаемыми для воздуха. Интересно, что при всем этом ширина промежутков между отдельными щетинками сохранялась практически неизменной, что позволило поддерживать сбалансированную аэродинамику даже при значительных изменениях общей площади крыла. Диаметр и длина щетинок также претерпевали эволюционные изменения — эти параметры отвечали за сохранение необходимой жесткости крыльев.
Эволюционный путь совершенства микрокрыльев
Самые миниатюрные виды жуков, обладающие перистыми крыльями, продемонстрировали особенно ярко выраженную экономию “строительных материалов”: их крылья имеют намного меньше щетинок, чем у крупных собратьев, однако аэродинамические свойства практически не теряются. Такой необычный баланс между количеством элементов и их расположением стал результатом длительного естественного отбора, который освобождал крылья от лишнего веса и обеспечивал насекомым возможность эффективно летать даже на миллиметровых размерах тела.
Учёные отмечают, что подобная оптимизация микростроения крыльев встречается и у других групп мельчайших насекомых. Например, микронаездники и трипсы, длина тела которых также зачастую меньше миллиметра, демонстрируют схожие конструктивные решения. Это указывает на универсальность и успешность подхода, выработанного эволюцией.
Вдохновляя инновации: перспективы применения
Открытие особенностей микронасекомых не только помогает понять механизмы эволюции, но и может стать источником вдохновения для инженеров и разработчиков новых технологий. Механизм легкости и прочности перистых крыльев миниатюрных жуков уже сегодня рассматривают как возможный прототип конструкции микролетательных аппаратов будущего. Чтобы воплотить эти идеи, необходимы дальнейшие исследования полета насекомых на микроуровне, ведь эти знания способны изменить подход к созданию дронов и других компактных робототехнических устройств.
Исследователи подчеркивают: наука о микромире требует точности и внимания к деталям, но именно эти нюансы способны дать человечеству новые решения для самых сложных задач. Оптимизм и вера в потенциал маленьких крыльев помогают мечтать о больших прорывах и новых возможностях, которые откроются перед будущими поколениями благодаря природе и ее невидимым учителям.
Источник: scientificrussia.ru
