Плодовые мушки, похоже, не используют свои крошечные полупрозрачные крылья для оптимального полета, как можно было бы ожидать. Быстрые придатки, кажется, выполняют двойную функцию, помогая насекомому вынюхивать пищу, партнеров и другие важные запахи, согласно новому исследованию Университета штата Огайо.
Ученый с опытом работы в области машиностроения и эксперт в области обоняния - для большинства из нас это обоняние - участвовал в исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications.
Ученые давно задавались вопросом о балансе между двойной потребностью насекомого в полете и навигации на основе запаха. Неизбежно, что крылья разрушают шлейфы запахов, и это заставило многих исследователей предположить, что природа, возможно, создала крылья не только для полета, но и для того, чтобы притягивать ароматы к антеннам, обнаруживающим запах..
Каждый из исследователей штата Огайо скептически отнесся к этой гипотезе двойного назначения по своим собственным причинам. Кай Чжао, эксперт по обонянию и биоинженерии, считает, что эта идея не имеет большого смысла, учитывая строение плодовой мушки.
«Люди думали, что крылья могут способствовать обнаружению запаха, но усики, основные следящие за запахом жука, расположены на его голове, намного впереди крыльев», - сказал он.
Представьте себе скоростную лодку, скользящую по спокойному озеру; ее нос всегда касается спокойной воды, опережая кильватер и турбулентность, создаваемую винтом - почему бы антеннам не быть на хвосте, ловя все запахи с подветренной стороны от крыльев?» сказал Чжао, адъюнкт-профессор отоларингологии в штате Огайо.
Соавтор исследования Чэньюй Ли, работавший в области машиностроения, пришел к выводу, что крылья жука созданы для скорости и маневренности и, скорее всего, не более того.
«Раньше я работал над проектами, посвященными аэродинамике, которые можно было бы применить к дронам. Все исследователи, занимающиеся такой работой, исходят из того, что природа - лучший конструктор и что крыло в первую очередь предназначено для полета», - сказал Ли, научный сотрудник, в настоящее время изучающий механику носового воздушного потока.
"Энергия этих крошечных насекомых ограничена, и они должны использовать ее правильно, иначе умрут, поэтому крыло должно быть очень эффективным", - сказал он.
Дуэт удовлетворил свое любопытство с помощью компьютерной симуляции плодовой мушки в полете, натолкнувшейся на шлейф запаха. Хайбо Донг, эксперт по аэродинамике насекомых из Университета Вирджинии, также работал над исследованием.
Команда, первой создавшая подобную симуляцию, смогла воспроизвести движения крыльев насекомого на основе предыдущих наблюдений других исследователей за реальными плодовыми мушками.
"Мы подумали: 'Почему бы не смоделировать шлейф запаха и посмотреть, что крыло делает с ним?'", - сказал Чжао.
То, что они увидели, было захватывающим. Крылья жука не просто взмахивают вверх и вниз - они наклоняются вперед и вверх, когда крылья приближаются к голове плодовой мушки, движение, которое, кажется, «зачерпывает» потоки запаха прямо к усикам насекомого.
«Мы видим, что крылья насекомого могут помочь ему обнаруживать пищу, выживать и находить себе пару», - сказал Ли.
На этом они не остановились. Исследователи задались вопросом: «Означает ли это, что крыло не было разработано природой исключительно для аэродинамических характеристик?»
Нижняя часть крыла, как они увидели, оказалась важной для запаха «совок», поэтому Чжао и Ли задались вопросом, могут ли они изменить эту структуру и узнать больше о том, будет ли она препятствовать быстрому полету плода. летать.
В ходе компьютерного моделирования они удалили эту часть крыла, которая составляет около 20 процентов его конструкции, но, согласно их расчетам, отвечает только за около 5 процентов его подъемной силы. Затем они снова запустили симуляцию запаха/полета.
Новая модель не мешала полету. На самом деле, это повысило эффективность и без того мчащихся крыльев плодовой мушки, которые обычно бьются с частотой около 200 герц, что эквивалентно примерно 12 000 оборотов в минуту..
Но изменения крыльев сделали крылья насекомого, смоделированные компьютером, гораздо менее успешными в перенаправлении запахов к антеннам. Перья, которые были втянуты и подняты до того, как проплыли мимо виртуального жука.
Это привело исследователей к предположению, что крылья плодовой мушки эволюционировали, чтобы удовлетворить две ее жизненные потребности: быстрое перемещение и обнаружение слабых запахов в ее атмосфере.
«Структура крыла не кажется оптимальной с точки зрения аэродинамики, даже несмотря на то, что они превосходно летают», - сказал Чжао. «Запах очень важен для насекомых, и это исследование, кажется, предполагает, что крылья также уравновешивают потребность в этом».
Исследование может дать информацию для будущих инженерных исследований по образцу летающих животных, особенно для работы по совершенствованию дронов, сказал Чжао. По его словам, на самом деле могут быть приложения, связанные с военными беспилотниками, предназначенными для «обнаружения» угроз, таких как бомбы или химическое оружие.
Исследователи заинтересованы в применении этого типа компьютерного моделирования к другим насекомым.