На это бессмысленно обижаться: мать-природа уже все давно придумала до нас. У бактерий, как выяснилось, есть функциональные колеса (люди дошли до них только 7 тысяч лет назад), муравьи «изобрели» сельское хозяйство, пятнистые саламандры научились использовать солнечные батареи (правда, только на стадии эмбриона). Тем забавнее, что когда дело касается хоррора и трэша, природа обгоняет нас еще больше. Лавкрафт придумывал своих «неописуемых тварей», глядя на банальную тарелку с морепродуктами. Клайв Баркер написал «Полночный поезд с мясом» и «Кожу отцов», размышляя о поведении насекомых. Про создателей «Шаркнадо» все понятно и так — эти и вовсе не заморачивались.
Так что мы вряд ли сможем придумать что-то более пугающее, чем твари, существующие в живой природе. Вспомните зомби-гриб кордицепс или, например, обратите внимание на жука-убийцу, который блюет во внутренности своих жертв, пожирает их, а затем делает себе камуфляж из их мертвых тел.
Ядовитый жук-убийца
По мнению ученых, изучавших палеонтологическую летопись насекомых, широкое разнообразие мира насекомых связано с большим количеством постоянно появляющихся новых видов. Одним из таковых является недавно открытый учеными вид жуков, который способен своим ядом убивать все вокруг, включая крупных животных и людей.
Эти насекомые настолько крошечные по размеру, что их трудно разглядеть невооруженным взглядом. Известны случаи, когда жертвы жуков получали смертельные укусы в ситуации, при которой случайно наступали на них ногами или опирались ладонями.
Выделенный насекомым яд моментально проникает через рану под кожу, провоцируя стремительное развитие необратимого разрушительного процесса. Противоядие к токсину ученые пока не разработали.
Самый опасный жук-убийца обнаружен на территории Индии. Природа происхождения крошечных, но при этом невероятно опасных существ, пока не выяснена. По одной из версий насекомые являются «плодами» запрещенных экспериментов при создании биологического оружия или «отработанным материалом» неудачных лабораторных исследований.
На данный момент жуки-убийцы локализированы в пределах южно-азиатской страны. Насколько быстро они распространятся по свету определить трудно. Для жителей Индии ситуация усугубляется фактором перенаселенности территории. Причем основная масса людей находится за чертой бедности. Люди зачастую не имеют никакой обуви и ходят по земле босиком, рискуя «нарваться» на опасного противника.
Перед учеными сейчас поставлены две задачи – разработать противоядие и не допустить расширение ареала смертоносных насекомых.
Эксперимент с пауками
Чтобы выяснить, почему жуки совершают эти «нежные» касания, ученые решили провести эксперимент. Они принесли в лабораторию 30 особей фаланговидных фолькусов (Pholcus phalangioides), которые являются пауками размером не более одного сантиметра. Ученые поместили крошечных созданий на паутину и начали стучать по телам некоторых из них при помощи собачьей шерсти — так они имитировали аккуратные прикосновения жуков-убийц. После этого они стучали по установленному в углу паутины камертону, вибрации которого имитировали движения попавшейся в ловушку жертвы.
Паук Pholcus phalangioides
Оказалось, что после постукивания пауки реагировали на вибрации гораздо покойнее. В некоторых случаях они полностью игнорировали камертон, тогда как остальные особи бежали смотреть на добычу. Исследователи пришли к выводу, что небольшие постукивания кажутся паукам прикосновениями их сородичей или потенциальных партнеров, поэтому они успокаиваются. По словам одного из авторов научной работы Энн Виньялл (Anne Wignall), эта особенность не дает паукам случайно съесть своих родственников. Этим активно пользуются их злейшие враги, жуки-убийцы.
Жуки-убийцы Stenolemus тоже не выделяются большими размерами
По словам зоолога Ондржея Михалека (Ondrej Michalek), который не принимал участия в научной работе, выводы его коллег полностью обоснованы. Будучи экспертом по беспозвоночным существам он отметил, что многие пауки избегают каннибализма, ориентируясь на тактильные сигналы. На протяжении многих лет враги пауков могли заметить это и взять в свое вооружение. В дальнейшем авторы научной работы хотят выяснить, сколько именно постукиваний нужно сделать по телу паука, чтобы его успокоить. Ведь если сделать их слишком мало или много, членистоногий хищник может почуять неладное и защититься от соперника. Также ученые хотят узнать, против каких видов пауков может использоваться данная хитрость.
Целующиеся жуки
Большую опасность несут и так называемые целующиеся жуки. Они ведут ночной образ жизни. Свое название жуки-убийцы получили благодаря пристрастию жалить людей в слизистые оболочки губ и веки, пока те пребывают в состоянии сна. Жесткокрылых хищников манит выделяющийся в процессе дыхания человека углекислый газ. Заражение происходит в момент кровососания и на этапе, когда жертва инстинктивно растирает место укуса, втирая при этом оставленные паразитами на «месте преступления» фекалии.
Уже через пару недель после инфицирования у человека отекают веки, появляется лихорадка и развивается острая сердечная недостаточность, в большинстве случаев приводящая к летальному исходу.
Обитают паразитические протисты в субтропиках и тропических районах.
Укус trypanosoma cruzi вызывает у людей развитие трудноизлечимой болезни Шагаса. По подсчетам медиков сегодня от тропической паразитарной болезни страдает порядка 7-8 миллионов людей. В основном это жители Южной и Центральной Америки, а также Мексики. От этого заболевания ежегодно умирает 12,5 тыс. людей.
Самое удивительное то, что при таких колоссальных масштабах ВОЗ по-прежнему причисляет болезнь Шагаса к десятке самых «заброшенных» тропических недугов. Вакцины против этой распространенной болезни до сих пор нет.
3
Секрет эффективности полета миниатюрных жуков-перокрылок — широкая восьмерка и высокие углы атаки
Рис. 1.
Примеры птилоптеригии — перистые крылья представителей разных отрядов насекомых:
А
—
Primorskiella anodonta
(жесткокрылые),
B
—
Megaphragma mymaripenne
(перепончатокрылые),
C
—
Heliothrips haemorrhoidalis
(трипсы). Микрофотографии из книги A. A. Polilov, 2016. At the Size Limit — Effects of Miniaturization in Insects и статьи A. A. Polilov et al., 2022. Wing morphology in featherwing beetles (Coleoptera: Ptiliidae): Features associated with miniaturization and functional scaling analysis
Миниатюризация происходила в ходе эволюции независимо в нескольких группах насекомых, приводя к возникновению многоклеточных организмов, сравнимых по размерам с крупными одноклеточными. Мельчайшие свободноживущие (непаразитические) насекомые относятся к перокрылкам (семейство Ptiliidae в составе отряда Coleoptera — жесткокрылые, они же жуки). Большинство перокрылок способны к полету, причем их крылья в ходе миниатюризации стали внешне напоминать перья птиц. Это явление, свойственное большинству миниатюрных насекомых, называют птилоптеригией. Независимое возникновение птилоптеригии в разных группах насекомых связано с особенностями полета в условиях, когда силы вязкого трения оказываются сравнимыми с силами инерции. В целом, чем меньше летающее животное, тем медленнее оно летает, и долгое время было распространено мнение, что мельчайшие насекомые неспособны к быстрому и маневренному полету. Новые данные, полученные с помощью высокоскоростной видеосъемки, опровергают это предположение. В частности, сравнительно крупные перокрылки летают так же хорошо, как родственные им жуки втрое бо
льших размеров. У одного из исследованных видов перокрылок —
Acrotrichis sericans —
отмечена рекордная относительная скорость горизонтального полета, позволяющая жуку преодолевать за секунду расстояние, почти в 1000 раз превышающее длину его тела. Специфический механизм полета, выработавшийся у перокрылок в ходе миниатюризации, позволил им «выйти на новый уровень», так что теперь они могут летать на своих перистых крыльях не хуже и в чем-то даже лучше, чем более крупные жуки на мембранозных (перепончатых, обычного типа) крыльях. Теперь этот механизм впервые подробно описан на примере другого жука из того же семейства —
Paratuposa placentis
: перистые крылья описывают в воздухе широкую восьмерку, схлопываясь над и под телом, а надкрылья движутся с немалой амплитудой, играя роль инерционного тормоза и компенсируя возникающие в полете вращательные колебания тела.
Среди насекомых (класс Insecta) из разных отрядов есть совсем миниатюрные — их называют микронасекомыми. Этим нестрогим термином обозначают насекомых, размеры которых меньше 2 мм. В ходе миниатюризации микронасекомые из разных отрядов конвергентно (путем независимой эволюции в близких направлениях) приобретали под действием естественного отбора некоторые сходные морфологические признаки. В частности, подавляющее большинство микронасекомых имеет уникальное строение крыльев: почти все жилки на крыле редуцированы, крыловая пластинка короткая и очень узкая, а ее края окаймлены длинными щетинками, которые составляют бо
льшую часть площади крыла (см. картинку дня Крыло мельчайшего жука). Этот комплекс признаков называется
птилоптеригией
(рис. 1).
Долгое время считалось, что миниатюрные насекомые летают преимущественно или исключительно пассивно, перемещаясь по воздуху в основном за счет ветра, подобно планктону, перемещающемуся в основном за счет течения воды. (Таких носимых ветром животных называют аэропланктоном.) Трудно было предположить, что крошечные насекомые, сравнимые по размерам с одноклеточными протистами и имеющие причудливые перистые крылья, могут летать быстро и маневренно.
Рис. 2.
Жуки из семейства Ptiliidae (перокрылки).
A
,
В
—
Nossidium pilosellum
;
C
,
D
—
Limulodes parki
;
E
,
F
—
Scydosella musawasensis
;
G
,
H
—
Primorskiella аnodonta
;
I
,
J
—
Ptenidium formicetorum
;
K
,
L
—
Acrotrichis montandoni
. Изображения, полученные на сканирующем электронном микроскопе, из статьи A. A. Polilov et al., 2022., The phylogeny of Ptiliidae (Coleoptera: Staphylinoidea) – the smallest beetles and their evolutionary transformations, посвященной филогении перокрылок
Плохими летунами многие энтомологи считали и жуков-перокрылок (семество Ptiliidae), к которым относятся мельчайшие свободноживущие (непаразитические) насекомые (рис. 2). Но недавние исследования, проведенные нашей группой, базирующейся на кафедре энтомологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, показали, что мельчайшие жуки вполне способны к активному и маневренному полету (D. Kolomenskiy et al., 2022. Aerodynamic performance of a bristled wing of a very small insect). Более того, как нам удалось выяснить совсем недавно, некоторые из миниатюрных насекомых с перистыми крыльями летают эффективнее, чем насекомые сходного размера с обычными мембранозными крыльями (S. E. Farisenkov et al., 2022. Extraordinary flight performance of the smallest beetles).
Мы изучили эффективность полета миниатюрных жуков из семейства Ptiliidae и сравнили ее с эффективностью полета более крупных жуков с обычными мембранозными (перепончатыми) крыльями — представителей родственных семейств Silphidae (мертвоеды) и Staphylinidae (стафилиниды). Все три семейства относятся к надсемейству Staphylinoidea (рис. 3) и разошлись в ходе эволюции относительно недавно — уж точно позже, чем эволюционная ветвь этого надсемейства отделилась от большинства других жуков.
Рис. 3.
Перокрылки (Ptiliidae), мертвоеды (Silphinae) и разные подсемейства стафилинид (Staphylinidae: подсемействам соответствуют все названия, оканчивающиеся на «-inae»), а также некоторые другие семейства жуков на одной из недавних версий филогенетического древа надсемейства Staphylinoidea. Построено на основе данных из статьи D. D. McKenna et al., 2014. Phylogeny and evolution of Staphyliniformia and Scarabaeiformia: forest litter as a stepping stone for diversification of nonphytophagous beetles
Насекомых помещали в специальные лётные боксы, где их полет записывали на две синхронные высокоскоростные камеры с высоким разрешением. Частота съемки составляла от 60 до 300 кадров в секунду. В дополнение к обычному свету лётные боксы освещались с трех сторон мощным инфракрасным излучением с длиной волны 850 нм, невидимым для жуков. Это позволило обеспечить необходимую для видеосъемки экспозицию, но не создавать неестественно яркого освещения, которое могло бы повлиять на поведение подопытных жуков. По положениям каждого насекомого на каждом кадре были реконструированы трехмерные траектории его движения, по которым впоследствии мы рассчитывали различные характеристики полета.
Во всех трех семействах средние и максимальные скорости полета увеличиваются с увеличением длины тела (рис. 4). Однако тренды максимальных и средних скоростей полета перокрылок находятся заметно выше линий тренда, полученных для мертвоедов и стафилинид. Это показывает, что перокрылки могут развивать бо
льшие средние скорости, чем стафилиниды сходного размера.
Рис. 4.
Параметры полета и размеры тела жуков из близких семейств: перокрылки (
слева
), стафилиниды (
в центре
) и мертвоеды (
справа
).
A
— средняя и максимальная скорость;
B
— средняя и максимальная горизонтальная скорость;
C
— максимальное горизонтальное ускорение. Графики из статьи S. E. Farisenkov et al., 2022. Extraordinary flight performance of the smallest beetles
Максимальное горизонтальное ускорение, которого могут достигать перокрылки, значительно выше, чем у стафилинид, и примерно в два раза выше, чем у мертвоедов. Если сравнивать относительные значения (измеренные в длинах тела), то средняя скорость горизонтального полета разных видов перокрылок составляет от 146 до 437 длин тела в секунду. Это тоже значительно больше, чем у стафилинид и мертвоедов (для которых этот показатель составляет 28–123 длины тела в секунду). То есть летные характеристики перокрылок сравнимы с летными характеристиками стафилинид и мертвоедов гораздо большего размера. И это несмотря на то, что есть (нестрогое) «правило»: чем меньше летающее животное, тем медленнее оно летает. Более того, жук-перокрылка Acrotrichis sericans
способен развивать б
о
льшую среднюю скорость, чем стафилиниды в три раза длиннее его. При этом он покрывает за секунду расстояние, в 975 раз превышающее длину его тела. Это настоящий рекорд: ни у кого из животных до сих пор не было зарегистрировано такой высокой относительной скорости перемещения в горизонтальной плоскости.
Такой необычайно высокой эффективности полета могут способствовать два фактора. Первый из них — это относительный объем и тонкое строение мышц, так как от них зависит мощность мускулатуры. Объемы и строение мышц перокрылок не были исследованы в рамках нашей работы, но известно, что в ходе миниатюризации относительные объемы мышц жуков не увеличиваются (в отличие от двукрылых, даже самые миниатюрные представители которых имеют мембранозные крылья) (A. A. Polilov, 2015. Consequences of miniaturization in insect morphology). Второй фактор — это необычная морфология и кинематика крыльев, которые больше подходят для полета при миниатюрных размерах.
Для полета миниатюрных насекомых огромное значение имеют силы трения, а силы инерции отступают на второй план. Дело в том, что силы вязкого трения пропорциональны площади поверхности, а инерционные силы — массе тела. При уменьшении размеров тела относительная (по сравнению с массой) площадь поверхности тела увеличивается, ведь абсолютная площадь повехности пропорциональна квадрату линейных размеров, а масса, как и объем, пропорциональна кубу линейных размеров. Когда линейные размеры уменьшаются, например, в 10 раз, площадь поверхности уменьшается в 100 раз, а масса — в 1000 раз, так что относительная площадь поверхности возрастает в 10 раз.
Соотношение инерционных сил и сил трения, которое обычно используют, характеризуя относительную вязкость среды, описывается так называемым числом Рейнольдса (Re
). Его рассчитывают по следующей формуле:
\[Re=\dfrac{\text инерционные силы}{силы трения}=\dfrac{\rho LV}{\mu},\]
где \(\rho\) — плотность среды, \(L\) — характерная длина (определяющая масштаб системы; при вычислении \(Re\) для машущего крыла используется длина крыла), \(V\) — скорость движения среды, а \(\mu\) — динамическая вязкость среды. Существенно, что это число безразмерное (размерность числителя такая же, как размерность знаменателя). Это значит, что нам не важно, в каких величинах измерены переменные, важно только их соотношение.
Крупные насекомые, а также птицы и рукокрылые летают при высоких числах Рейнольдса: от 100 до десятков тысяч и более. В таких условиях их крылья могут создавать подъемную силу на относительно небольших углах атаки (то есть углах наклона крыла по отношению к потоку набегающего воздуха) при невысокой силе лобового сопротивления этому потоку. Отчасти так же это происходит и на крыле самолета. Однако при уменьшении \(Re\) до 1 инерция воздушных потоков становится столь мала, что подъемная сила на крыле почти отсутствует, в то время как за счет сил вязкого трения крыло испытывает большое лобовое сопротивление. Говоря языком авиаконструкторов, аэродинамическое качество такого крыла крайне низкое, и при его движении на малых углах атаки необходимо затратить больше энергии, чем оно создает в виде подъемной силы. Поэтому для поддержания тела в воздухе выгоднее использовать гребной тип движения крыльев, при котором они работают как весла: взмахи совершаются на больших углах атаки, практически плашмя, а полезная сила создается за счет лобового сопротивления крыла; при возвратных движениях же крыло движется торцом по отношению к потоку.
Микронасекомые находятся в переходной зоне чисел Рейнольдса (порядка 10), поэтому они комбинируют черты машущего и гребного полета, используя для поддержания тела в воздухе как подъемную силу, так и лобовое сопротивление своих крыльев. Во время взмаха вниз и взмаха вверх крыло движется с больши
ми углами атаки — как весло. Взмахи при этом совершаются в почти перпендикулярных плоскостях.
Рис. 5.
Траектории движения вершины крыла у насекомых разного размера (упорядочены сверху вниз по убыванию размера): муха-журчалка
Eristalistenax
(
a
), мокрец
Dasyhelea flaviventris
(
b
) и миниатюрный наездник
Encarsia formos
(
c
). Видно, что чем насекомое меньше, тем сильнее взмах крыла вверх выгнут в виде буквы U, и тем выше максимальные углы атаки. Полет при уменьшении размеров насекомого становится всё больше похожим на греблю (такой тип полета называют гребным). Изображение из статьи Y. Lyu et al., 2022. Flapping-mode changes and aerodynamic mechanisms in miniature insects
До недавнего времени стиль полета миниатюрных жуков не был подробно описан. В опубликованной в журнале Nature
в начале 2022 года статье впервые представлено подробное описание этого процесса. Эта статья была подготовлена под руководством заведующего кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ Алексея Полилова. Исследование было проведено нашей международной командой из МГУ им. М. В. Ломоносова, Сколтеха, Совместного российско-вьетнамского тропического научно-исследовательского и технологического центра (Вьетнам), Ростокского университета (Германия), Токийского технологического института и Университета Тибы (Япония). В работе сочетаются современные морфологические методы, трехмерная реконструкция движения частей тела в полете и новые подходы в вычислительной аэродинамике.
Необычный стиль полета жуков-перокрылок был подробно изучен на примере одного из самых маленьких представителей этого семейства — обитающего в грибах-трутовиках в Юго-Восточной Азии вида Paratuposa placentis,
у которого длина тела взрослых особей составляет около 400 мкм. Исследованные жуки были отловлены во Вьетнаме, где их вскоре после поимки помещали в небольшой прозрачный бокс, а затем снимали их полет на две высокоскоростные видеокамеры. По видеозаписям была сделана трехмерная реконструкция движений крыльев, надкрылий и тела, на основе которой с помощью специальных программ были произведены точные аэродинамические расчеты. Строение крыльев жуков изучали с помощью сканирующего электронного, конфокального лазерного и обычных световых микроскопов.
Рис. 6.
Разработанная и сконструированная Сергеем Фарисенковым установка для скоростной записи свободного полета микронасекомых на четыре синхронизированные камеры с инфракрасным освещением. Фото из архива кафедры энтомологии МГУ
Для изучения аэродинамики миниатюрных насекомых нам потребовались особые вычислительные методы. В работах по аэродинамике локомоции (передвижения) живых организмов принято использовать два основных принципиально разных вычислительных подхода: первый — для моделирования полета и плавания крупных животных, второй — для моделирования плавания одноклеточных с помощью жгутиков. При этом вблизи каждой периферической щетинки перистых крыльев вязкость воздуха оказывается такой большой, что его движение во многом похоже на движение жидкости вблизи жгутика одноклеточного, но в масштабе всего тела жука движение воздуха во многом определяется силами инерции. Одна из сложностей, затрудняющих изучение полета таких организмов, состоит в том, что диаметр одной щетинки в сотни раз меньше линейных размеров тела. Поэтому нашей группой был разработан адаптивный алгоритм, позволяющий детально описывать с заданной точностью процессы, происходящие в столь разных масштабах (рис. 7). Этот алгоритм может впоследствии найти применение и для решения многих других задач, требующих многомасштабного моделирования.
Рис. 7.
Адаптивная структура вычислительной области, использованной для трехмерного аэродинамического расчета. Область разбита на блоки, размер которых уменьшается вблизи твердых тел. Чтобы рассчитать значения скорости, давления и других параметров, как при двумерном, так и при трехмерном моделировании, вычислительная область разбита на участки. В каждой ячейке рассчитываются значения для каждого момента времени. Чем меньше структуры, для которых рассчитываются параметры обтекающего их воздуха, тем мельче должна быть сетка, чтобы получить точные результаты. Когда объект имеет как крупные, так и мелкие части, разбивать вычислительную область на одинаково мелкие участки нецелесообразно, поэтому соавторы обсуждаемой статьи Томас Энгельс (Thomas Engels) и Дмитрий Коломенский разработали алгоритм, который в каждый момент времени адаптирует структуру сетки под геометрию объекта: вблизи мелких структур (щетинки) сетка точная, а вблизи крупных (мембрана крыла, надкрылья, тело) — грубая. Рисунок из обсуждаемой статьи в
Nature
, с изменениями
Перистые задние крылья жука движутся в полете так, что их вершины описывают в воздухе фигуры в форме широкой восьмерки, совершая быстрые гребные движения с больши
ми углами атаки, чередующиеся с двумя медленными возвратными движениями, при которых крылья схлопываются и движутся на малых углах атаки (рис. 8). Крыловой цикл перокрылок уникален: обычно у миниатюрных насекомых у вершины каждого крыла U-образная траектория, а у крупных насекомых почти прямая. Наличие возвратных движений и двух хлопков крыльями в цикле — также уникальная особенность полета жуков-перокрылок. В среднем по циклу только около трети аэродинамических сил создается за счет лобового сопротивления крыльев, что немного меньше, чем у других микронасекомых. Таким образом, перокрылки способны создавать на крыле существенную подъемную силу, несмотря на весьма небольшие размеры тела и низкие значения числа Рейнольдса.
Рис. 8.
Траектория движения вершин крыльев и надкрылий жука-перокрылки
Paratuposa placentis
в боковой проекции при возвратных движениях (
красные линии
) и взмахах (
зеленые линии
). На схематичных изображениях профиля крыла на поперечном срезе передний (костальный) край обозначен
кружочком
, а плоскость крыла — соединенным с этим кружком
отрезком
. При взмахах вниз крылья движутся с больш
и
ми углами атаки и создаваемое при этом лобовое сопротивление наряду с подъемной силой помогает жуку удерживать вес своего тела в воздухе. Изображение из обсуждаемой статьи в
Nature
, с изменениями
Когда крыло движется в вязкой среде, воздух, который находится в непосредственной близости к крылу, движется вместе с ним. Этот «присоединенный» слой воздуха почти полностью перекрывает промежутки между щетинками (рис. 9). Расчеты показывают, что благодаря низкой проницаемости перистые крылья микронасекомых почти не уступают в аэродинамической эффективности мембранозным. При этом за счет того, что значительную часть площади крыла составляет не мембрана, а сравнительно легкие щетинки, масса перистого крыла оказывается намного меньше, чем масса мембранозного крыла такой же формы. Щетинки перокрылок дополнительно покрыты кутикулярными выростами, что позволяет увеличить их парусность и еще сильнее облегчить крыло, почти не снижая аэродинамической эффективности. Легкие крылья дают насекомому возможность снизить среднюю и пиковую механическую мощность летательных мышц, благодаря чему уменьшаются энергозатраты и необходимый для полета объем крыловой мускулатуры. Еще одна выгода от перистых крыльев — это уменьшение силы, которую насекомое должно приложить, чтобы разделить соединенные крылья перед взмахом.
Рис. 9.
Кадры видеозаписи полета жука-перокрылки
Paratuposa placentis
(
верхний ряд
), трёхмерная компьютерная реконструкция движения крыльев (
средний ряд
) и визуализация завихрений потоков воздуха, где одинаковыми цветами показаны одинаковые скорости (
нижний ряд
). См. также видео, в котором все эти реконструкции показаны в движении. Изображение из обсуждаемой статьи в
Nature
, с изменениями
Так необычная морфология и кинематика крыльев, которые приспособлены для полета при малых значениях числа Рейнольдса, помогают перокрылкам летать исключительно эффективно, а по некоторым показателям даже рекордно эффективно.
Теперь мы планируем не менее подробно изучить полет других миниатюрных насекомых. Поскольку крыловой аппарат других мельчайших насекомых устроен несколько иначе, а миниатюризация проходила у них независимо, мы ожидаем, что наши исследования скоро принесут новые открытия и помогут разобраться в том, как менялись крылья и стиль полета насекомых из разных групп в ходе миниатюризации. Законы физики для всех одинаковы, но эволюция приспособлений к диктуемым этими законами условиям, судя по всему, шла в разных отрядах насекомых по-разному.
Принципы машущего полета насекомых уже используются инженерами при проектировании экспериментальных беспилотных летательных аппаратов. Миниатюризация — распространенный тренд не только в эволюции ряда групп животных, в том числе насекомых, но и в развитии технологий, поэтому когда-нибудь полученные нами знания о подробностях механизмов полета микронасекомых могут пригодиться в создании крошечных рукотворных устройств. Однако сделать летательный аппарат, сравнимый по размерам с мельчайшими жуками-перокрылками намного сложнее, чем сделать и подковать танцующую механическую блоху, поэтому пройдет не одно десятилетие, пока люди сумеют спроектировать и изготовить нечто подобное. Наша же задача пока состоит в том, чтобы подробно разобраться не только в механизмах полета насекомых разных групп, но и в эволюции этих механизмов. Будущее покажет, когда эти знания удастся применить на практике.
Источники:
1) Sergey E. Farisenkov, Pyotr N. Petrov, Nadejda A. Lapina, Alexey A. Polilov. Extraordinary flight performance of the smallest beetles //
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
. 2022. DOI: 10.1073/pnas.2012404117. 2) Sergey E. Farisenkov, Dmitry Kolomenskiy, Pyotr N. Petrov, Thomas Engels, Nadezhda A. Lapina, Fritz-Olaf Lehmann, Ryo Onishi, Hao Liu & Alexey A. Polilov. Novel flight style and light wings boost flight performance of tiny beetles //
Nature
. 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04303-7.
См. также:
1) Крыло мельчайшего жука, «Элементы», 19.11.2019. 2) Н. А. Лапина, С. Э. Фарисенков, П. Н. Петров, А. А. Полилов. Влияние миниатюризации на строение крыльев и механику полета насекомых.
Надежда Лапина, Петр Петров
Жук-хищнец и его жертвы
Не меньший страх наводит малазийский собрат жука-убийцы. Беспозвоночное членистоногое сначала нападает на муравьев, высасывая все из жертв все соки, а затем по несколько часов таскает на спине их трупы. Чтобы превратить внутренности жертв в однородное месиво жук-убийца в момент укуса впрыскивает через рану особый фермент. Подвергшейся ферментации сок хищник частично высасывает из жертв.
Насытившееся насекомое делает стратегический запас, водружая трупы муравьев себе на спину. Самое удивительно то, что при размере туловища убийцы всего в 8-10 мм, на его спине умещается порядка 20 склеенных между собой муравьев. По мере необходимости хищник просто достает очередную порцию припасов, после чего с легкостью избавляется от опустошенного хитинового панциря.
Для человека жук-хищнец опасности не представляет. Но его способ жизни у большинства вызывает отвращение. Да и вид крошечного жучка с горой мертвых муравьев на спине – зрелище не для слабонервных.
По мнению ученых жук-хищнец является не только эффективным убийцей. Такой способ жизни морально подавляет его потенциальных врагов. Acanthaspis petax использует приклеенные к туловищу экзоскелеты муравьев в роли дополнительной брони. В случае нападения он спасается бегством, сбрасывая со спины трупы. Оставленная на дороге горка мертвых муравьев в этом случае выступает в роли приманки, которая отвлекает внимание противника от убегающего жука.
Жуки-ассасины и их занимательный способ убийства
По-русски эти жуки называются «хищнецы». С недавнего времени, благодаря переводным статьям в интернете, за ними еще закрепилось прозвище «жуки-убийцы». Но на английском у них самое крутое и при этом точное название — «жуки-ассасины» (assassins-bugs). Они и вправду подкрадываются к жертве (другим насекомым) со спины и убивают ее, набросившись и проткнув своеобразным мечом — рострумом.
Рострум — это одновременно остро-заточенное оружие и хоботок жука-ассасина. Проделав им рану в теле жертвы, он начинает буквально блевать в ее нутро. Сок жука-убийцы содержит паралитический яд и ферменты, разлагающие внутренности пойманного насекомого. Кажется, оно еще какое-то время остается в сознании, пока наш герой высасывает внутренности словно трубочкой. Довольно брутально!
Но среди 7000 видов хищнецов есть особо восхитительные персонажи — Acanthaspis petax. Этот вид жуков-ассасинов не только убивает жертв описанным способом, но и отличается чертовски крутой маскировкой. Жук-ассасин обитает в Малайзии и Восточной Африке, из-за чего даже было предположение, что их из Юго-Восточной Азии завезли переселенцы на плотах. Так что вот вам еще один забавный факт — предки современных малагасийцев приплыли в Африку из Азии вдоль побережья Индийского океана за тысячи километров, хотя не очень понятно, зачем.
Филогения и эволюционная история
избыточная масса яйца
Текущая таксономия основана на морфологических характеристиках. Первый кладистический анализ, основанный на молекулярных данных (митохондриальная и ядерная рибосомная ДНК), был опубликован в 2009 году и поставил под сомнение монофилию некоторых современных групп, таких как Emesinae.[6] Самые старые окаменелости семейства относятся к Поздний мел (Сеноманский) в возрасте Бирманский янтарь, представлена нимфы[7] и род Палеотриатома,
принадлежность к подсемейству Triatominae.[8]
Жук-нарывник
Не приходится ожидать особого благодушия и от семейства нарывников: название говорит само за себя. В их крови присутствует кантаридин − ядовитая субстанция, провоцирующая появление на коже крайне болезненных пузырей и нарывов.
При попадании в кровь кантаридин может резко нарушить работу почек, привести к параличу и летальному исходу.
Божья коровка не так безобидна, как кажется
Жучки-нарывники обитают по соседству с Россией: в лесах Кавказа и в странах Средней Азии. Обликом они напоминают божью коровку с немного более вытянутым тельцем.
Кстати, знаменитая шпанская мушка тоже принадлежит к семейству нарывников. Порошок и пластырь шпанской мушки применяли с незапамятных времен в качестве сильнейшего афродизиака.
Не приходится ожидать особого благодушия и от семейства нарывников
Но эта пикантная подробность не делает жучка менее опасным.
А из всех ядовитых жуков россияне должны опасаться именно шпанской мушки, так как ее ареал простирается от Европы до Сибири.
Морфология
| Эта секция не цитировать любой источники . Пожалуйста помоги улучшить этот раздел к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удаленный. |
А Зелус
нимфа из Юго-восток США
Размер взрослых насекомых составляет от 4,0 до 40 мм, в зависимости от вида. Чаще всего у них удлиненная голова с отчетливо суженной «шеей», длинные ноги и выступающие сегментированные трубчатые ротовые части, чаще всего называемые хоботком, но некоторые авторы используют термин «рострум». Большинство видов имеют яркую окраску с оттенками коричневого, черного, красного или оранжевого.
Нимфа, найденная в Непал
Наиболее отличительной особенностью семейства является то, что кончик хоботка входит в гребневую бороздку в простернум, где его можно использовать для воспроизведения звука скрежетание. Звук издается, когда хоботок касается выступов в этой бороздке. стридулитрум (стридуляторный орган). Эти звуки часто используются, чтобы отпугнуть хищников. При преследовании многие виды могут нанести болезненный удар хоботком, введя яд или пищеварительный сок. Эффекты могут быть очень болезненными, а инъекции некоторых видов могут иметь важное медицинское значение.
