Проблемы малой авиации

В журнале Nature вышел рассказ о новом способе летать. Его изобрел очень, очень маленький жук-перокрылка — он в 50 раз меньше шмеля. Мы поговорили с авторами статьи и выяснили, что ухищрения, на которые идет перокрылка ради того, чтобы взлететь, можно сравнить разве что с теми, на которые приходится идти энтомологам, чтобы этот полет описать.

Если долгое время становиться все меньше и меньше, то еще неизвестно, чем это кончится, — говорила кэрролловская Алиса, — можно совсем пропасть. Именно так и поступили десятки разных видов насекомых — они уменьшились настолько, что пропали из поля зрения хищников. Длина тела миниатюрного жука-перокрылки — 395 микрометров, туловище осы-наездника — 250 микрометров. Чуть больше инфузории-туфельки, чуть меньше обыкновенной амебы.

Миниатюризация стоит дорого. Алиса перестала дотягиваться до стола и чуть не утонула в слезах, которые пролила до уменьшения. Микроскопическим насекомым приходится решать массу проблем, неведомых их крупным собратьям: как есть, как летать, как размножаться, а главное — как уместить в своем компактном теле все необходимые для этого органы.

Как тут есть

На первый вооруженный микроскопом взгляд миниатюрные насекомые не сильно отличаются от всем знакомых жуков и ос. Сегментов у них

, но основные части тела на месте: голова, брюшко, лапки, крылья (кому нужны), хоботки — все они уменьшаются одновременно и пропорционально. Поэтому некоторые ученые

, что границу миниатюризации насекомых определяет окружающая их среда — например, размер капли воды.

Не все микронасекомые рискуют охотиться. Вместо этого они подгрызают грибы, пьют воду с их поверхности или высасывают ее из деревьев. Но капля на грибе и вода внутри дерева тоже сопротивляются тому, чтобы ее съели — с помощью поверхностного натяжения и капиллярных сил. И если стать слишком маленьким, то может получиться так, что мышечного усилия уже не хватит, чтобы втянуть каплю в рот.

Когда исследователи взялись разбирать миниатюрных жуков и ос на составные части, то задумались о том, что ограничения на размер могут лежать не снаружи животного, а внутри. Оказалось, что по ходу миниатюризации не все внутренние органы, в отличие от частей тела, уменьшаются пропорционально.

Первыми под сокращение попадают транспортные системы — становится меньше мальпигиевых сосудов (для выделения) и трахей (для дыхания), исчезают некоторые кровеносные сосуды, а вместе с ними иногда и сердце. Зато нервной и половой системами насекомые жертвуют неохотно. Хотя количество нервных клеток у них снижается (а некоторые осы даже избавляются от ядер в мозговых нейронах), сам мозг никуда не девается и сохраняет все свои отделы.

На месте и половые железы — некоторые виды оставляют себе только одну из двух, но уж ей приходится быть полноценной: в яичник должно влезать хотя бы одно яйцо с запасом питательных веществ, чтобы вырастить будущую личинку. Исключение составляют только осы-наездники, которые откладывают яйца в чужие личинки, и так выигрывают еще сто микрометров тела.

Таким образом, даже самое миниатюрное взрослое насекомое не может быть меньше, чем его мозг и яичник, вместе взятые. Микрожуки ни на ком не паразитируют, и у них яичник может занимать до половины тела. С учетом мозга, на который приходится больше 10 процентов массы, на остальные органы остается совсем мало места.

Как тут летать

Те, кто решил свои внутренние проблемы и утрамбовал все необходимые органы, сталкиваются со следующей задачей — как с этим взлететь. Причем не просто подняться в воздух, но и долететь к цели. «Для того, чтобы иметь возможность активно перемещаться, им нужно преодолевать скорость ветра — рассказывает Сергей Фарисенков, младший научный сотрудник кафедры энтомологии МГУ и ведущий автор статьи в Nature. — В лесу у земли ветер не такой, как над кронами деревьев, но все равно его скорость существенна для столь миниатюрных животных».

Маленьким и легким пробиться сквозь ветер непросто. Для большинства насекомых верно

: чем ты мельче, тем медленнее летаешь. Но энтомологи из МГУ

, что некоторые миниатюрные жуки из семейства перокрылок (

) это правило систематически нарушают. Они не просто летают быстрее, чем их родственники похожего размера, они еще и разгоняются стремительнее, чем жуки-мертвоеды, которые в 60 раз их длиннее.

Чтобы выяснить, как им это удается, ученые взялись подробно описать полет перокрылок. И обнаружили, что он не похож на полет ни одного другого живого существа.

Другие миниатюрные насекомые, объясняет Фарисенков, за цикл делают два взмаха крыльями: вниз и вверх. При этом наверху их крылья схлопываются, а внизу расходятся, и итоговая траектория взмаха получается U-образной.

У перокрылок все по-другому. Их крылья описывают восьмерку: сначала махнуть вниз и вперед, затем вернуть крылья на изготовку и взмахнуть снова, уже вниз и назад — и снова возврат, оттуда цикл повторяется. Каждый цикл это два взмаха вниз и два возвратных движения наверх, во время которых крылья схлопываются.

Но каждое движение крыльями, продолжает Фарисенков, генерирует большой вращательный момент. Из-за него жук начинает «раскачиваться по тангажу» вперед-назад, как будто пытается перекувырнуться через голову. Здесь на помощь приходят надкрылья — передняя видоизмененная пара крыльев — которые у птилиид работают как стабилизатор. Жук машет надкрыльями, чтобы компенсировать момент вращения — и по расчетам ученых, снижает его вдвое. Перокрылку все равно качает — но если бы не надкрылья, то она бы вообще никуда не улетела.

Такой изощренный механизм полета связан с тем, что в ходе миниатюризации эти жуки заодно сэкономили и на крыльях. У крупных насекомых крылья — это мембраны из кутикулы, натянутые на скелет из жилок, а у микроскопических жуков крылья перистые (отсюда и название семейства). Больше похожее на плоскую метелку, такое крыло весит всего 24 нанограмма — что в 5–8 раз меньше, чем весило бы мембранозоное крыло того же размера. У перистого крыла момент инерции на порядок ниже, поэтому его кинетическая энергия целиком передается в воздух. Движение крыльев больше напоминает махи конечностями, за счет которых многие ракообразные передвигаются в воде — перокрылки скорее гребут сквозь воздух, чем летят.

Все это позволяет микрожукам сохранять устойчивость на ветру и разгоняться до десятков сантиметров в секунду. «Сотни длин [своего] тела в секунду, — пересчитывает Фарисенков, — это впечатляет». Болид «Формулы 1» на прямой пролетает где-то 16-18 своих корпусов в секунду, гепард — пробегает около 20. Перокрылка на порядок быстрее.

Как сюда попасть

Быть миниатюрным насекомым непросто. Но изучать миниатюрных насекомых — еще сложнее. Даже самые простые и привычные методы с ними могут не сработать. Например, даже массу своего объекта изучения, перокрылки Paratuposa placentis, авторам статьи в Nature пришлось высчитывать аналитически.

«Очень маленький вес, — жалуется Фарисенков, — три микрограмма. У нас на момент подготовки статьи не было весов, которые могут дать такую точность». Пришлось решать проблему с помощью перокрылок покрупнее, из рода Primoskiella. «Их было поймано достаточно много, — рассказывает энтомолог, — чтобы всех этих жуков положить на весы и взвесить, а потом просто среднюю массу получить». Дальше ученые с помощью конфокальной микроскопии создали трехмерные реконструкции для тел обеих перекрылок и пересчитали через объем массу меньшей из них — с допущением, что плотность тел у них одинаковая.

«Если бы мы смогли наловить достаточное количество жуков нашего вида, — поясняет Фарисенков, — мы их так же бы взвесили. Но не сложилось, чтобы у нас были одновременно и весы, и достаточное количество жуков». По словам ученого, крупных перокрылок для контрольного взвешивания им понадобилось около сотни. Мелких пришлось бы добыть сразу несколько сотен.

В эксперименте перокрылок обездвиживали с помощью углекислого газа — чтобы успеть взвесить, «пока не разбежались». Можно было бы, конечно, их зафиксировать (то есть убить и законсервировать) и запасти до того момента, когда в руках у энтомологов окажутся достаточно точные весы. Но и эта оценка будет искаженной, говорит Фарисенков, «потому что фиксированный жук имеет уже другую массу». Если он сухой, то он заведомо лишен части своей воды. А если его зафиксировать химически, то под действием фиксатора могут раствориться липиды, которые покрывают его тело и не дают ему терять влагу — отчего жук опять-таки начнет высыхать и терять массу.

Жизнь энтомологов была бы гораздо проще, если бы нужные перокрылки всегда были под рукой и жили в лаборатории, как какие-нибудь дрозофилы. Но таких культур нет. «Даже если сделать какой-то разлагающийся субстрат, в котором они вроде как должны жить, — рассуждает Фарисенков, — то не факт, что там будет подходящая грибная микрофлора, которой они смогут питаться. Это должна быть специальная стадия разложения, на которой есть эти грибы, и это довольно сложно воспроизвести в искусственных условиях».

Поэтому ученым пришлось изучать перокрылку непосредственно в среде ее обитания, во вьетнамском тропическом лесу. Можно было, конечно, обойтись каким-нибудь подмосковным жуком — среди которых тоже встречаются микроскопические виды — но они крупнее. А энтомологи хотели записать полет самых мелких перокрылок из доступных.

Конечно, жуков можно было бы попробовать и забрать с собой в Москву. Но из Вьетнама запрещено вывозить животных (о том, как биологам бывает сложно возить свои объекты, мы рассказывали в материале «Уж послала так послала»). И даже если было бы разрешено — насекомые, по словам Фарисенкова, плохо переносят такие путешествия.

Так что разбираться с полетом перокрылок приходится на выездах во Вьетнам. Выглядит это примерно так. Сначала исследователи отправляются в лес на поиски объекта — без сачка и без микроскопа, просто внимательно осматривая встречающиеся им грибы. «Видно, что что-то маленькое черное бегает, — описывает процесс Фарисенков, — это может быть то, что нам нужно». Предполагаемых перокрылок собирают вместе с кусочками гриба, уносят в местную лабораторию и сортируют под микроскопом — где нужное насекомое, а где не нужное. Потом отобранных жуков запускают в летный бокс — закрытую емкость размером в пару сантиметров, окруженную видеокамерами. Жуки летают в боксе, а энтомологи ждут, пока камера не сделает удачную серию кадров. За сутки, по словам ученого, справиться им обычно не удается, времени уходит больше.

«Наша задача усложняется тем, что это очень быстро движущийся объект и у нас скоростная видеосъемка. Порядка 5 тысяч кадров в секунду. И это, конечно же, накладывает большие ограничения: у нас выдержка 2 микросекунды, и соответственно, нам нужно очень много света, и нужно этим светом объект не спалить, не ослепить и не зажарить».

Поэтому каждая экспедиция за перокрылкой — это целый лабораторный переезд. «Химия» для фиксации животных, оптика, камеры, рельсы, свет. «[В тот раз] мы привезли во Вьетнам, грубо говоря, 50 кило оборудования, — вспоминает Фарисенков, — разложились там, записали, зафиксировали, уехали. Сейчас у нас стало больше оборудования, раза в два, и теперь если мы куда-нибудь выедем — это будет большая проблема».