Новое исследование меняет взгляд на летающих насекомых

Впервые исследователям удалось доказать, что для определённых насекомых существует оптимальная скорость полёта, при которой они наиболее эффективны и потребляют минимум энергии. Ранее аналогичные явления были продемонстрированы у птиц, но никогда — среди насекомых.

Предыдущие исследования шмелей показали, что они потребляют столько же энергии при полёте вперёд, сколько и при зависании на месте. Новые данные Лундского университета (Швеция) показывают, что это правило применимо не ко всем насекомым.

Биолог Кайса Варфвинге (Kajsa Warfvinge) и её коллеги изучили крупных бабочек — табачных бражников (Manduca sexta). Результаты показывают, что эти мотыльки, как и птицы, потребляют разное количество энергии в зависимости от скорости полёта. Полет на очень низкой или очень высокой скорости требует наибольших усилий.

Это открытие может помочь другим учёным, изучающим миграцию насекомых из одной среды в другую.

«Я полагаю, что наши результаты можно использовать косвенно для прогнозирования того, насколько хорошо разные виды реагируют на изменение температур в условиях глобального потепления. Зная, сколько энергии требуется для полёта на разных скоростях, мы можем рассчитать, как далеко и как быстро животные могут перемещаться при заданном количестве энергии», — говорит Кайса Варфвинге.

Эксперименты проводились в аэродинамической трубе. Используя специально разработанную технику — томографический PIV (Particle Image Velocimetry), — исследователи смогли зафиксировать движение воздуха в трёх измерениях при взмахах крыльев табачного бражника. Вихри, остающиеся в воздухе, можно рассматривать как аэродинамический след насекомого. Сила вихря отражает количество кинетической энергии, добавляемой насекомым, что само по себе является мерой того, насколько энергозатратен полёт на разных скоростях.

Результаты показывают, что классическая теория авиации применима и к табачным бражникам: для медленного полёта (1 м/с) требуется много энергии, так как на таких скоростях трудно создать подъёмную силу. То же самое относится и к быстрому полёту (4 м/с), но здесь неэффективность с энергетической точки зрения обусловлена сопротивлением воздуха.

«Мы демонстрируем, что у мотыльков такая же U-образная зависимость между скоростью и мощностью, как у птиц и самолётов. Медленный или быстрый полёт утомителен и требует больше энергии. Можно сказать, что умеренная скорость является оптимальной. Наиболее энергоэффективная скорость для этих мотыльков составляет 2–3 м/с», — говорит Кайса Варфвинге.

Однако цель и задача полёта определяют, какая скорость наиболее выгодна. Если мотыльки хотят оставаться в воздухе как можно дольше, им следует экономить энергию и поддерживать скорость около 2,5 м/с. Если цель — пролететь далеко, им следует увеличить скорость примерно до 4 м/с. Несмотря на сопротивление воздуха и то, что они не смогут лететь столько же времени, это оптимальная скорость для преодоления больших расстояний.