Большинство мух эволюционировали для полета, а комары — для успешного спаривания

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что почти все мухи в мире летают практически одинаково. У тысяч видов, внешне совершенно непохожих друг на друга, тонкая механика взмахов крыльев остается удивительно постоянной, поддерживаемой физикой взмахов в воздухе. Комары и мошки являются ярким исключением. Результаты исследования опубликованы в журнале PLOS Biology.

Это открытие помогает объяснить одну из самых странных закономерностей эволюции: почему столь разнообразная группа животных пришла к единому стилю полета. Это позволяет точно определить, что заставляет комаров так по-разному летать и издавать звуки. Исследователи утверждают, что их необычные взмахи крыльев настроены не столько на лёгкий полёт, сколько на то, чтобы их услышал партнёр.

Полученные данные основаны на самом полном на сегодняшний день исследовании того, как настоящие мухи летают. Команда из Вагенингенского университета (WUR) в Нидерландах измерила 133 вида мух из обширного генеалогического древа этой группы.

Затем они сняли 46 из них в воздухе с помощью высокоскоростных камер и воссоздали вихревой поток воздуха вокруг каждого крыла в компьютере.

Исследование возглавила Камиль Ле Рой, эволюционный биолог из Вагенингенского университета, совместно с Флорианом Муйресом, руководителем лаборатории.

Полученные результаты разделились на две четкие части. Форма крыльев мухи точно соответствовала ее происхождению, поэтому близкородственные виды имели схожие крылья, в то время как движение этих крыльев не подчинялось тому же правилу.

Движение крыльев оставалось на удивление равномерным у всей группы. Большинство мух взмахивали крыльями в узком диапазоне скоростей, совершая схожие дуги.

Это было справедливо как для плодовых мушек, так и для мух-журчалок, создавая практически одинаковый ритм сил в воздухе. Тела и крылья сильно различались по форме; основной взмах крыльев был практически незаметен.

Эта устойчивость объясняется простой причиной. Быстрое взмахивание крылом для зависания оставляет мало места для импровизации.

В физике отталкивания от воздуха поощряется один узкий набор движений, а остальные наказываются. Разные направления исследований пришли к одному и тому же решению.

Одна из схем взмахов крыльев по-прежнему требует подъема мушек совершенно разного веса. Самая легкая мушка в выборке весила около семи десятимиллионных долей унции (20 микрограммов). Самая тяжелая из них, слепень, весила более чем в 10 000 раз больше. Чтобы удерживать обеих в воздухе одним и тем же основным движением, требуется некоторая корректировка.

Мелкие мухи решают эту проблему в основном за счет скорости. Относительно своего размера у них отрастают немного более крупные крылья, и они машут ими быстрее. Именно это увеличение частоты взмахов крыльев выполняет большую часть работы по поддержанию полета. Самые маленькие виды машут крыльями в несколько раз быстрее, чем их более крупные сородичи.

Крупные мухи идут по противоположному пути. Вместо того чтобы быстрее биться, они наращивают летательные мышцы. Они отдают большую часть своего тела тканям, которые приводят в движение крылья. Более тяжелым насекомым требуется больше энергии, чтобы расправлять свои большие крылья в воздухе.

На всем протяжении диапазона мышечной силы примерно соответствует потребности, с достаточным запасом. В среднем мухи обладают примерно вдвое большей мышечной силой, чем им необходимо для устойчивого зависания в воздухе – этот запас сохраняется как для крошечных мошек, так и для крупных слепней. Именно этот резерв позволяет им быстро подниматься и уворачиваться от ударов.

Две древние линии отказываются следовать общему плану. Комары-долгоножки, хрупкие длинноногие насекомые, которые порхают вокруг фонарей на крыльце летними ночами, машут крыльями необычайно медленно, примерно в три раза медленнее, чем обычная муха.

Комары и их близкие родственники, мошки, машут своими тонкими крыльями примерно в три раза быстрее, чем обычная муха их размера. Этот бешеный взмах крыльев обходится дорого. Отдельное исследование полета комаров показало, что их длинные, тонкие крылья совершают неглубокий дугообразный взмах.

Они также используют необычные приемы в конце каждого взмаха, чтобы оставаться в воздухе, — подход, не похожий почти ни на один другой способ передвижения насекомых. Такие быстрые и неглубокие взмахи затягивают гораздо больше воздуха, чем обычный взмах мухи.

Дополнительное сопротивление выглядело бы как неудачная инженерная разработка, если бы единственной целью был полет. Однако аэродинамические модели, разработанные командой из Вагенингена, показывают, что комары и мошки расходуют больше энергии, чем почти любая другая муха их размера, на создание подъемной силы.

Каждый взмах создает высокое аэродинамическое сопротивление. По эффективности полета они входят в число худших в этой группе. Все эти быстрые, тягучие взмахи крыльями издают громкий звук, и исследователи считают, что именно этот звук привлекает комаров.

Самцы находят самок в брачных стаях, прислушиваясь к шелесту их крыльев, поэтому более громкий и высокий взмах крыльев, вероятно, дает преимущество при спаривании, перевешивающее затраты энергии.

Если сравнить эти два рисунка, они наглядно демонстрируют общую картину. Практически для каждой мухи законы физики определяют её поведение, а эволюция следует им, стремясь к одинаково эффективному взмаху крыльев.

У комаров, похоже, второе давление — потребность быть услышанным — пересилило стремление к дешевому полету, заставив их взмахи крыльев двигаться в более странном направлении.

Эта интерпретация согласуется с более ранними исследованиями того, как комары ухаживают друг за другом. В одной из работ было обнаружено, что самцы и самки настраивают высоту своих звуков полета друг на друга во время ухаживания. Это превращает взмахи крыльев из средства передвижения в сигнал ухаживания. Новые результаты показывают, что этот сигнал имеет аэродинамическую основу.

Связь между тем, как летает комар, и тем, какие звуки он издает, может иметь практическое значение для исследований. Комары переносят малярию, лихорадку денге и другие заболевания. В некоторых системах контроля уже используется звук для приманивания или отлова птиц, а также для того, чтобы помочь бесплодным самцам конкурировать за самок. Знание того, что управляет взмахами крыльев, делает эти усилия более эффективными.

Полученные результаты также предоставляют инженерам более четкий свод правил. Конструкторы летающих роботов размером с насекомое уже давно заимствуют элементы дизайна у настоящих крыльев. Теперь у них есть карта, показывающая, какие характеристики полета заданы законами физики, а какие могут свободно изменяться. Она демонстрирует, где они могут экспериментировать, а где природа уже достигла предела.