Ученые выяснили, как насекомые научились сверхбыстрому полету

Комары – одни из самых быстро летающих насекомых. Взмахивая крыльями более 800 раз в секунду, они достигают такой скорости, потому что мышцы их крыльев могут взмахивать быстрее, чем их нервная система может приказать им биться.

Это асинхронное биение возникает из-за того, как летательные мышцы взаимодействуют с физикой упругого экзоскелета насекомого. Такое разделение нервных команд и мышечных сокращений характерно только для четырех различных групп насекомых.

В течение многих лет ученые предполагали, что эти четыре группы развили эти сверхбыстрые взмахи крыльев по отдельности, но исследования Технологического института Джорджии и Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego) показывают, что они произошли от одного общего предка. Это открытие демонстрирует, что эволюция неоднократно включала и выключала этот конкретный режим полета. Исследователи разработали физические модели и робототехнику, чтобы проверить, как могут происходить эти переходы.

Моль стала ключевым видом, открывшим эту эволюцию полета. В отличие от комаров, мотыльки летают, настраивая свои летательные мышцы при каждом взмахе крыла с синхронной активацией своей нервной системы. Вместе с тремя другими летающими насекомыми предки мотыльков развили способность к асинхронному полету, но позже утратили его. Тем не менее, даже миллионы лет спустя мотыльки все еще сохраняют способность выполнять асинхронные сокращения мышц.

Несмотря на демонстрацию закономерностей эволюции, исследователям все же нужно было объяснить, как насекомые могут переходить между этими двумя режимами полета. Для этого они сопоставили стратегии полета с двумя фундаментальными представлениями физиков о колебаниях. Используя биофизические модели и роботизированные платформы, они показали, что эти две стратегии являются двумя сторонами одной единой модели. Если бы эволюция изменила несколько параметров, насекомое могло бы внезапно перейти от синхронного полета к асинхронному и наоборот.

«Наши результаты довольно устойчивы к любым экспериментальным условиям. Мы оглядываемся на 400 миллионов лет назад и изучаем, как мышцы древних насекомых должны были вести себя с эволюционной точки зрения», - сказал один из ведущих авторов исследования Джефф Гау из Технологического института Джорджии.

Эта работа по своей сути была междисциплинарной и объединяла исследователей в области физики, эволюционной биологии и робототехники. Результаты были опубликованы в журнале Nature.

Многие насекомые летают синхронно, согласовывая импульсы нервной системы с движением крыльев. Но у более мелких насекомых нет для этого механизма, и им приходится сильнее махать крыльями, что работает только до определенного момента. Вот здесь-то и появляется асинхронный полет.

«По мере того, как насекомые становились меньше, их частота взмахов крыльев увеличивалась до 100 раз в секунду, и когда вы начинаете набирать эту скорость, возникает своего рода предел скорости, при котором мышцы не могут сокращаться и расслабляться достаточно быстро. Если бы они попытались сжать и расслабить крылья, они бы начали перекрываться, а затем в конечном итоге заблокировались», - сказал другой автор исследования Саймон Спонберг.

Вместо этого более мелкие насекомые эволюционировали, чтобы использовать нервную систему для отправки импульса активности мышцам, которые затем начинают сокращаться независимо от того, нужно ли крылу взмахивать крыльями. Всего лишь небольшое растяжение мышц активирует и автоматически генерирует взмахи крыльев. Асинхронный полет позволяет крыльям взмахивать значительно быстрее, чем если бы нервной системе приходилось каждый раз активировать и расслаблять мышцы.

Хотя эта асинхронность известна с 1950-х годов, ученые первоначально предполагали, что насекомые развили этот признак отдельно. Однако недавно появились новые филогении или генеалогические древа того, как разные виды произошли друг от друга. Используя эти филогении, исследователи разработали модели, позволяющие определить, как развился асинхронный полет.

То, что они обнаружили, было очень удивительным. Асинхронность не развивалась отдельно четыре раза, а развивалась только один раз для всех летающих насекомых. Некоторые группы насекомых естественным образом со временем утратили эту способность и перешли к синхронному полету, а другие сохранили ее.

«Одним из важнейших эволюционных открытий является то, что эти переходы происходят в обоих направлениях и что вместо использования нескольких независимых источников асинхронных мышц на самом деле существует только один. Из этого одного независимого источника произошло множество изменений обратно к синхронности», — сказал Бретт Айелло.

Спонберг сравнивает полет с физическим понятием колебаний, которые могут возникать одним из двух способов: регулярным толканием системы, например пружины или маятника; против самовозбуждения или когда что-то в механике системы автоматически начинает отталкиваться при тянуть.

«Если вы когда-нибудь видели одного из этих танцующих парней с воздушными шарами в автосалоне, то увидите, что он постоянно поднимается и рушится», — сказал Спонберг. «Там происходит то, что он колеблется, и не потому, что вы регулярно его тыкаете, а потому, что вы на самом деле создаете непрерывную воздушную струю внизу, что является компромиссом с силой гравитации».

По сути, асинхронный полет можно сравнить с полетом на воздушном шаре, поскольку уже подготовленные мышцы действуют как своего рода самовозбуждение. Чтобы изучить, как это применимо к насекомым, исследователи сосредоточились на мотыльках, которые используют синхронный полет, но при этом обладают механизмами для асинхронного полета.

Создание математических моделей и робототехнических систем бабочки продемонстрировало, что заставило бабочку переключаться между двумя способами полета, и дало более полную картину того, почему произошел этот переход. Гау разработал математические модели того, как мышцы готовятся к полету или растяжению. Как только модель появилась, команда робототехники Калифорнийского университета в Сан-Диего внедрила ее в роботофизические модели.

«Вам не нужна робототехника, чтобы что-то узнать о биологии», — сказал Ник Гравиш, доцент Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Но в создании биоробота есть что-то такое, что заставляет вас поставить себя на место животного».

Команда создала двух роботов. Один из них, большой робот-хлопушка, смоделированный по образцу мотылька, чтобы лучше понять, как работают крылья, был развернут в воде, вязкость которой аналогична тому, как крошечное насекомое движется по воздуху.

«Физика этого гораздо более крупного робота, движущегося гораздо медленнее, аналогична физике насекомого, которое намного меньше и движется намного быстрее», — сказал Джеймс Линч.

Они также построили гораздо меньшего робота-хлопушки, который работал в воздухе, имитируя размер настоящей мотылька и смоделированный по образцу гарвардского Робоби. Роботы продемонстрировали, работают ли две модели, разработанные исследователями для объяснения этих двух типов полета и их переходов, в реальных условиях. По сути, они построили первого робота, способного асинхронно взмахивать руками, и показали, что один робот может воссоздать переходы эволюции.

Делать открытия в области эволюции, физики и робототехники было возможно только при таком широком опыте и знаниях исследователей.

«Именно такого рода междисциплинарные исследования очень важны для достижения глубокого и надежного понимания естественных процессов, которые управляют движением животных», — сказал Айелло, — «и того, как мы можем реализовать это в роботизированной системе».