Строгая симметрия в миниатюре природы. Жуки и самолеты будущего

Сотрудники кафедры энтомологии биологического факультета МГУ подробно проанализировали характер и механизм обнаруженного у мельчайших жуков из семейства перокрылок (Ptiliidae) симметричного складывания и последующего расправления крыльев на примере широко распространенного вида этого семейства Acrotrichis sericans.

Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Исследование помогает разобраться в изменениях, происходящих с крылатыми насекомыми в ходе миниатюризации — эволюции в направлении сильного уменьшения размеров. Результаты работы могут быть использованы в робототехнике для создания миниатюрных летательных аппаратов, способных складывать крылья. Хотя некоторые из маленьких летающих роботов уже умеют это делать, по сравнению с жуками-перокрылками такие механизмы по-прежнему остаются гигантами. Однако не исключено, что инженеры, работающие над миниатюризацией подобных устройств, когда-нибудь сумеют спроектировать и изготовить искусственные подобия мельчайших жуков, сравнимые по размерам с этими удивительными природными образцами.

Жуков, пойманных в окрестностях Звенигородской биологической станции МГУ, исследовали с помощью методов сканирующей электронной, конфокальной лазерной и световой микроскопии, а также высокоскоростной видеосъемки и трехмерного компьютерного моделирования.

«В отличие от асимметрично складывающих крылья более крупных жуков из других семейств, а также от представителей не столь далеко ушедшего по пути миниатюризации подсемейства Nossidinae того же семейства Ptiliidae, жуки из рода Acrotrichis, как и большинство представителей семейства, в том числе, самые маленькие из известных науке свободноживущих (непаразитических) насекомых, складывают свои крылья симметрично. Известно, что миниатюризация нередко приводит к возникновению асимметричных структур, например в нервной или в половой системе. Наше исследование проливает свет на единственный отмеченный случай произошедшего в ходе миниатюризации возврата к строгой симметрии. Изученные нами жуки складывают крылья, упаковывая их под надкрылья посредством серии движений брюшка, а расправляют пассивно, приподнимая надкрылья, за счет обеспечивающего крылу упругость белка резилина, соответствующим образом распределенного в крыловой пластинке, а также, по-видимому, за счет возникающих в крыловой пластинке параллельных оси крыла волнообразных изгибов, которые делают крыло жестче подобно тому, как становится жестче металлическая лента измерительной рулетки, выгибаясь по мере разматывания», — рассказал Петр Петров, старший научный сотрудник кафедры энтомологии биологического факультета МГУ

Авторы статьи показали, что минимальная продолжительность складывания крыльев у исследованного вида составляет 3,5 с, но обратный процесс происходит принципиально иначе и гораздо быстрее: зарегистрированная у данного вида минимальная продолжительность расправления крыльев составила всего лишь 0,038 с — в настоящее время это рекордно быстрое расправление крыльев среди жуков. При этом коэффициент складывания крыльев (отношение длины расправленного крыла к длине сложенного) оказался у данного вида, напротив, рекордно низким: 3,31 (если измерять длину крыла без длинных щетинок, которые у перокрылок, как и у большинства других микронасекомых, окаймляют узкую крыловую пластинку по периферии).

«Миниатюрные формы возникли в ходе эволюции в нескольких разных отрядах крылатых насекомых. Большинству этих микронасекомых свойственна так называемая птилоптеригия — узкие крылья, окаймленные сравнительно длинными периферическими щетинками. Обладатели таких крыльев летают с помощью особого механизма, который мы в настоящее время подробно изучаем. Мельчайшие жесткокрылые, относящиеся к семейству перокрылок, уникальны среди микронасекомых своей способностью складывать такие крылья. В дальнейшем мы планируем подготовить сравнительный анализ складывания и расправления крыльев у представителей разных групп жуков-перокрылок и восстановить ход эволюции механизмов, лежащих в основе этих процессов», — добавил заведующий кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ Алексей Полилов.

Работа выполнена при грантовой поддержке РНФ и РФФИ.