Изменения формы крыльев помогают мелким парящим мухам оставаться в воздухе

от

Анализ полёта мух-ховер (hoverflies) показывает, что именно конструкция крыльев, а не более частые взмахи, позволяет самым маленьким видам генерировать достаточную подъёмную силу для полёта.

Исследование, [опубликованное](https://elifesciences.org/articles/97839) сегодня в eLife, описано редакторами как важная работа. Они говорят, что авторы предоставляют убедительные доказательства отсутствия существенной связи между размером тела и кинематикой крыльев — движениями крыльев во время взмахов. Вместо этого изменения в форме и размере (или морфологии) крыла позволяют мелким мухам-ховер оставаться в воздухе.

Физика полёта усложняется с уменьшением размера животных

Для мух-ховер парить, удерживая свою позицию в воздухе во время питания нектаром или поиска потенциальных партнёров, является критически важным поведением, требующим точного управления полётом. Большие виды мух-ховер могут генерировать подъёмную силу с относительно короткими крыльями, но перед мелкими видами стоит более сложная задача, поскольку их потенциал для создания подъёмной силы с помощью взмахов крыльев уменьшается по отношению к массе их тела по мере уменьшения размера.

«Парить критически важно для мух-ховер, когда они питаются и охраняют территорию для спаривания, но для самых маленьких насекомых их крылья не масштабируются достаточно, чтобы идти в ногу с массой их тела», — говорит ведущий автор Камиль Ле Руа, научный сотрудник группы экспериментальной зоологии Вагенингенского университета, Нидерланды.

Изменения в морфологии крыльев позволяют мелким мухам-ховер парить

Многие учёные предполагали, что мелкие насекомые преодолевают это, изменяя кинематику взмахов крыльев. Ле Руа и его коллеги изучили соотношения между морфологией крыльев и массой тела у 28 видов мух-ховер весом от 3 до 132 миллиграммов (мг). Они также оценили, как морфология крыльев и кинематика взмахов крыльев соотносятся с массой тела у восьми видов весом от 5 до 100 мг.

Они измерили размах крыльев, площадь крыла, среднюю хорду (среднюю ширину крыла) и второй момент площади (S₂) — меру того, как площадь крыла распределена по его длине, что может влиять на создаваемую подъёмную силу. Они также использовали геометрическую морфометрию — статистический метод, фиксирующий различия в форме независимо от размера.

Для восьми мелких видов мух-ховер исследователи сняли последовательности парения с помощью трёх синхронизированных высокоскоростных камер. Эта стереоскопическая установка позволила им реконструировать трёхмерные движения крыльев и тела и получить ключевые измерения взмаха крыльев, включая частоту взмахов и углы крыльев.

Результаты исследования

Во всех видах команда обнаружила, что кинематика взмахов крыльев не меняется существенно с размером тела: мелкие мухи-ховер не взмахивают крыльями быстрее или с большей амплитудой. Вместо этого их морфология крыльев систематически меняется в зависимости от размера: у мелких видов крылья пропорционально длиннее и выше значения S₂, что означает, что большая часть площади их крыльев расположена дальше от шарнира, что даёт им больший рычаг.

Несмотря на разнообразие форм крыльев, характер вертикальной силы был одинаковым у всех видов. Каждый полувзмах создавал небольшой пик подъёмной силы, за которым следовал более крупный, причём обратный взмах обычно был сильнее. Это подчёркивает, что, хотя морфология крыльев настраивает величину создаваемой подъёмной силы, лежащая в основе схема взмахов крыльев в целом остаётся той же.

Исследователи использовали компьютерное моделирование, сочетающее форму крыльев каждого вида с общим средним паттерном взмахов крыльев, чтобы проверить, сколько аэродинамической подъёмной силы может генерировать только морфология крыльев. Эти гидродинамические симуляции воспроизвели уже наблюдаемые различия в подъёмной силе между видами, показав, что большая часть вариации в поддержке веса обусловлена формой их крыльев, а не движениями взмахов.

Авторы отмечают, что ограничением этой работы является отсутствие аспекта взаимодействия между движением взмахов крыльев и функцией мышц (или физиологией).

«Наш анализ сосредоточен на системе движения, основанной на крыльях, у мух-ховер, но их движение крыльев в конечном итоге приводится в движение мышечным двигателем», — говорит старший автор Флориан Мюирес, профессор экспериментальной зоологии в группе экспериментальной зоологии Вагенингенского университета. «Поэтому необходимы будущие исследования, которые объединят физиологию мышц с аэродинамическим моделированием, чтобы дополнить наш подход».

«На данный момент наши результаты показывают, что мелкие мухи-ховер не решают физику полёта, взмахивая крыльями иначе, чем более крупные особи — они решают её, будучи устроенными иначе. Вытягивая размах крыльев и смещая большую часть площади поверхности дальше от шарнира, самые мелкие виды генерируют дополнительную подъёмную силу, необходимую им, без необходимости менять свой особый паттерн взмахов».

Предоставлено [eLife](https://phys.org/partners/elife/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте