16:23 2022-01-19
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Stilul de zbor inedit care îi ajută pe cei mai mici gândaci să exceleze
_ Noul stil de zbor care îi ajută pe cei mai mici gândaci să exceleze
O echipă internațională de cercetători descrie în detaliu mecanismele zborului extraordinar de rapid al celor mai mici insecte libere, gândacii din familia aripioarelor (Ptiliidae). Echipa include membri și un student ai Universității de Stat din Moscova Lomonosov (Rusia) și membri ai Skoltech (Rusia), Universitatea din Rostock (Germania), Institutul de Tehnologie din Tokyo (Japonia) și Universitatea Chiba (Japonia). Efortul este condus de Alexey Polilov, șeful Departamentului de Entomologie, Facultatea de Biologie, Universitatea de Stat din Moscova Lomonosov. Rezultatele studiului au fost publicate în Nature.
Cele mai mici insecte zburătoare au aripi cu peri deosebite, o afecțiune cunoscută sub numele de ptiloptery, care a evoluat independent în timpul miniaturizării în mai multe linii de insecte. Animalele zburătoare mai mici zboară în general la viteze mai mici decât cele mai mari, dar măsurătorile recente efectuate de membrii aceleiași echipe au arătat că gândacii din familia Ptiliidae, care include cele mai mici insecte libere (neparazitare), zboară la fel de repede ca rudele lor. sunt de trei ori mai mari. Lucrarea Nature descrie în detaliu stilul particular de zbor ptiliid și arată cum aceste aripi cu peri, a căror masă este mult mai mică decât cea a aripilor membranoase de aceeași dimensiune, funcționează eficient la astfel de insecte minuscule, pentru care, ca urmare a lor. mărimea, forțele de frecare vâscoasă sunt de același ordin de mărime ca forțele de inerție. Acest lucru face ca zborul batut al insectelor studiate să fie oarecum asemănător cu tipul de înot cu vâslă găsit la unele dintre crustaceele acvatice mai mici, cum ar fi Cladocera sau Anostraca.
Echipa din spatele studiului investighează zborul microinsectelor și a demonstrat recent că este nu numai mai ciudat, ci și mai eficient decât se credea anterior. Scopul acestei lucrări este de a arunca mai multă lumină asupra miniaturizării (tendința evolutivă spre diminuare extremă), care a avut loc în mod independent la mai multe grupuri de insecte. Ca urmare a miniaturizării, printre gândaci, viespi și alte insecte există specii în care adultul are mai puțin de 0,5 mm lungime, adică chiar mai mic decât unii protisti unicelulari, cum ar fi Amoeba proteus. În ciuda dimensiunilor lor extrem de mici, aceste insecte minuscule sunt animale multicelulare capabile de un comportament avansat și de mișcări complexe, inclusiv cele care permit celor mai multe dintre ele să zboare.
Efectele miniaturizării asupra structurii și funcțiilor sistemelor corpului rămân în continuare. prost inteles. Investigând această problemă, echipa a descoperit recent că gândacii cu aripioare miniaturale (reprezentanți ai familiei Ptiliidae) zboară la fel de repede ca reprezentanții mult mai mari ai familiilor de gândaci înrudite. Accelerațiile maxime ale acestora sunt, de asemenea, surprinzător de mari, iar în ceea ce privește numărul de dimensiuni ale corpului acoperite în zbor pe secundă, acestea depășesc toate animalele pentru care acest parametru a fost măsurat până în prezent. Dar mecanismul zborului lor a rămas necunoscut.
Studiul combină metode morfologice moderne, reconstrucții tridimensionale ale mișcării părților corpului în zbor și noi abordări în aerodinamica computațională. Toate aceste metodologii împreună au dezvăluit mecanismul de zbor care îi ajută pe cei mai mici gândaci să exceleze la zbor. Acest mecanism a fost studiat folosind exemplul unuia dintre cei mai mici gândaci, Paratuposa placentis, a cărui lungime a corpului adult este mai mică de 0,4 mm. Se arată că zborul surprinzător de eficient al acestor gândaci este facilitat de următoarele adaptări. În primul rând, aripile lor sunt extrem de ușoare, deoarece, spre deosebire de aripile gândacilor mari, aceștia au o lamă de aripă foarte îngustă, cu un evantai de peri periferici lungi (o afecțiune cunoscută sub numele de ptiloptery, care înseamnă aripă asemănătoare unei pene).
În plus, la cei mai mici gândaci, acești peri sunt acoperiți cu excrescențe (făcând perii ca o perie), care fac aripa și mai ușoară, fără a o face mult mai permeabilă la aer. În al doilea rând, acești gândaci au un stil de zbor necunoscut anterior și descris pentru prima dată în această lucrare. Ca și la alți gândaci zburători, Paratuposa placentis își folosește pentru zbor aripile posterioare, care în repaus sunt pliate sub elitrele rigide (aripile anterioare modificate). Aripile posterioare cu peri se deplasează de-a lungul unei traiectorii neobișnuite, în formă de opt lat, și fac mișcări de vâslă alternând cu palme atât deasupra, cât și dedesubtul corpului gândacului.
Gândacii studiati au fost capturați în Vietnam. Au fost plasați într-o cameră transparentă, unde zborul lor a fost filmat cu două camere video de mare viteză. Din înregistrările video, a fost produsă o reconstrucție tridimensională a mișcărilor aripilor, elitrelor și corpului, ceea ce a făcut posibilă efectuarea de calcule aerodinamice precise folosind un software special. Structura aripilor a fost studiată folosind microscoape cu scanare electronică și laser confocale. Un astfel de studiu cuprinzător a permis prima descriere și analiză detaliată a mecanismului de zbor pentru o microinsectă.
Pentru insecte la fel de mici precum gândacii, forțele de frecare vâscoasă sunt destul de mari în raport cu forțele inerțiale și greutatea. a corpului și a anumitor părți ale corpului acestor insecte. Drept urmare, în timpul zborului, aerul se lipește de perii periferici ai aripilor din cauza frecării vâscoase mari și închide golurile dintre ei, trecând abia printre peri. Fiind mult mai ușoară (și astfel supusă unor forțe de inerție mult mai mici) decât o aripă membranoasă de aceeași dimensiune, aripa cu peri se îndreaptă aproape la fel de bine, fără a lăsa mult aer să treacă, ca o pana de pasăre. Totodată, în asemenea condiții, portanța generată de aripă este insuficientă pentru a susține greutatea corporală. Acesta este motivul pentru care o parte considerabilă a forțelor aerodinamice create de micuțul gândac în zbor se datorează rezistenței aripilor sale care se mișcă la unghiuri mari de atac. Acest stil de zbor este în multe privințe similar cu tipul de înot cu vâsle întâlnit la unele crustacee, cum ar fi Cladocera sau Anostraca (care înoată folosind antenele lor ramificate și, respectiv, picioarele ramificate): Aripile fac mișcări de vâslă, apoi se prăbușesc și revin la poziţia lor iniţială pentru următorul curs. Elitrele gândacilor ptiliid se mișcă mult mai viguros, cu o amplitudine unghiulară mai mare, decât la majoritatea gândacilor mai mari. În lucrare se arată că deplasarea în acest fel a elitrelor servește ca frâne inerțiale, prevenind corpul de la prea multă oscilație care altfel ar rezulta din mișcarea aripilor în modul particular descris mai sus.
Echipa plănuiește acum. pentru a studia zborul altor insecte miniaturale la fel de detaliat. Această lucrare a început deja cu unele astfel de insecte, folosind același set de metode. Aparatul aripilor multor alte insecte minuscule este aranjat oarecum diferit, deoarece miniaturizarea lor a avut loc independent. Prin urmare, cercetările suplimentare sunt de așteptat să dezvăluie mai multe secrete ale zborului unor astfel de insecte. Studierea aerodinamicii aripilor miniaturale cu peri este un obiectiv important, deoarece condițiile de curgere similare sunt tipice pentru multe lucruri în miniatură, atât naturale, cât și artificiale. Noile cunoștințe despre zborul microinsectelor ajută la o mai bună înțelegere a biologiei, potențialului lor de dispersie și a rolurilor în ecosisteme. În plus, principiile zborului insectelor sunt deja folosite de ingineri în proiectarea de microvehicule aeriene experimentale fără pilot. Miniaturizarea este o tendință larg răspândită nu numai în evoluția anumitor grupuri de animale, ci și în dezvoltarea tehnologiei, iar în viitorul îndepărtat, cunoștințele despre zborul microinsectelor pot ajuta inginerii să creeze dispozitive zburătoare la fel de mici precum cele mai mici insecte zburătoare - sau cel puțin la fel de mici ca unele dintre microinsectele mai mari.
„Pentru a studia aerodinamica insectelor miniaturale, ne-am bazat pe tehnici de calcul specializate. În mod tradițional, există două abordări computaționale distincte în acest sens. Prima este folosită pentru modelarea animalelor mari zburătoare și acvatice, iar a doua se aplică Mișcarea aerului în apropierea unui periu individual al unei aripi asemănătoare penelor este extrem de vâscoasă, la fel ca mișcarea lichidului în apropierea unui flagel. Totuși, la scara corpului insectei, mișcarea aerului este în mare măsură determinată de forțele de inerție. dificultatea constă în faptul că diametrul perilor este de sute de ori mai mic decât lungimea corpului. Pentru a rezolva acest lucru, am dezvoltat un algoritm adaptiv capabil să descrie mișcarea la scări atât de diferite în detaliu și cu o precizie arbitrară. Credem că se poate dovedi util pentru abordarea o gamă largă de probleme care necesită modelare pe mai multe scară”, a adăugat coautorul studiului, profesorul asistent Skoltech Dmitry Kolomenskiy.
Comentarii:
Adauga Comentariu