Крылья насекомых машут быстрее, чем позволяет скорость их мозга

В мире насекомых скорость — явление увлекательное и сложное. От быстрого взмаха крыльев комаров до синхронного полета мотыльков — эти крошечные существа обладают невероятными способностями, которые уже много лет озадачивают ученых. Понять эволюцию скорости насекомых, особенно у разных видов, оказалось непростой задачей. Однако новаторское исследование, проведенное учеными из Технологического института Джорджии и Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego), пролило новый свет на эту тему, раскрыв секреты, стоящие за удивительным биением крыльев.

Асинхронный полет: ключ к скорости насекомых
Одним из наиболее интригующих аспектов скорости насекомых является явление, известное как асинхронное биение. Под ним понимается разрыв между нейронными командами и мышечными сокращениями, который наблюдается только у четырех различных групп насекомых. Долгое время считалось, что эти группы независимо друг от друга выработали эти уникальные биения крыльев. Однако совместное исследование, проведенное Технологическим институтом Джорджии и Калифорнийским университетом в Сан-Диего, поставило под сомнение это предположение и показало, что эти высокочастотные удары крыльев на самом деле произошли от одного общего предка.

Исследование, проведенное под руководством Джеффа Гау, доктора философии из Технологического института Джорджии, позволило углубиться в историю эволюции и проследить, как функционировали мышцы древних насекомых около 400 млн. лет назад. Полученные результаты дают ценные сведения о поведении мышц древних насекомых и проливают свет на эволюционные чудеса, позволяющие насекомым достигать таких невероятных скоростей.

Мотыльки: эволюционный поворот
Если комары демонстрируют асинхронный полет, то мотыльки пошли по другому эволюционному пути. Предки мотыльков обладали способностью к асинхронному полету, но со временем утратили ее. Однако мотыльки сохранили способность к асинхронным мышечным сокращениям. Чтобы понять этот эволюционный путь, ученые отобразили стратегии полета на два основополагающих способа интерпретации колебаний физиками. Объединив биофизические модели с передовой робототехникой, они продемонстрировали, что синхронный и асинхронный режимы полета — это, по сути, две стороны одной медали. С помощью нескольких эволюционных изменений насекомое может плавно переходить от одного режима к другому.

Влияние размера на скорость полета насекомого
Размер играет решающую роль в определении возможностей полета насекомых. Крупные насекомые достигают синхронного полета за счет согласования движений крыльев с импульсами нервной системы. Однако мелкие насекомые сталкиваются с проблемой, так как их удары крыльев усиливаются, достигая скорости до 100 раз в секунду. Саймон Спонберг, доцент кафедры физики и биологических наук Dunn Family Early Career Associate Professor at Georgia Tech, объясняет, что для этих крошечных насекомых существует естественный барьер скорости. Если бы они сжимали и расслабляли крылья с такой скоростью, то крылья бы перекрывались и не работали.

«По мере того как насекомые становились меньше, частота ударов их крыльев увеличивалась до 100 раз в секунду, и когда вы начинаете развивать такую скорость, возникает своего рода естественный предел скорости, когда мышцы не могут сокращаться и расслабляться достаточно быстро», — говорит Спонберг. «Если бы они пытались сокращать и расслаблять крылья, они бы начали накладываться друг на друга и в конце концов заблокировались».

Цитаты и мнения экспертов
— Джефф Гау: «Наши выводы довольно устойчивы ко всем различным экспериментальным условиям. Мы смотрим на 400 млн. лет назад, чтобы понять, как должны были вести себя мышцы древних насекомых с точки зрения эволюции».

— Саймон Спонберг (Simon Sponberg): «По мере того как насекомые становились меньше, частота взмахов их крыльев увеличивалась до 100 раз в секунду, и когда вы начинаете развивать такую скорость, возникает своего рода внутреннее ограничение скорости, когда мышца не может сокращаться и расслабляться достаточно быстро».