Полет на насекоми - биология
The Полет на насекоми е най-старият начин за придвижване във въздуха и включва различни техники на полет. Няма фундаментална разлика в пляскащия полет на птиците по отношение на силите на повдигане и задвижване, които са решаващи за полета: крилата нагоре и надолу служат едновременно като крила и като задвижване, предните им ръбове са сковани, докато останалата част остава еластична. Поради по-малкия среден размер на летящите насекоми, честотата на пляскане на крилата им е много по-висока в сравнение с тази на гръбначните животни. [1]
Крилата на насекомите са крила, направени от хитин, които исторически произхождат от издатини на кожата. Летящите насекоми са най-богатата на видове група в цялото животинско царство и повечето видове имат две двойки крила. Четирикрилата структура е пречка за летенето, така че има еволюционна тенденция към двукрили структури. [1]
Летят при ниски и средни числа на Рейнолдс
В зависимост от размера на насекомото и скоростта на полета му, въздухът за насекомото е различно „жилав“. Следователно особено малки насекоми „плуват“ във въздуха, който за тях е толкова жилав, колкото водата поради размера и скоростта на полета си (вижте числото на Рейнолдс или „Когато въздухът стане лепкав“). Следователно те нямат аеродинамично крило, а само подобни на четки генератори на съпротивление като четина или ресни крила.
По-големите или по-бързо летящи насекоми обикновено използват прозрачни кожни крила. От това или задната двойка може да бъде намалена до така наречените "люлеещи се крушки", които се въртят само срещу крилата, за да балансират масите и се използват като жироскопичен инструмент (при диптери като комари и мухи)
При мухи крилото надолу се извършва от горе назад до долу отпред с хоризонтално положение на крилото. В резултат на това въздушното съпротивление е максимално във вертикална посока и минимално в хоризонтална посока. Това създава високо ниво на повдигане и минимално количество задна сила. Когато крилото е нагоре, крилото се премества от долната предна към горната задна част с вертикално крило. Това води до минимално въздушно съпротивление във вертикална посока и съответно ниска сила на притискане, както и максимално съпротивление в хоризонтална посока и съответно максимално задвижване. Това разделяне на задачите на антагонистичните мускулни групи на повдигане и задвижване води до приблизително равновесие на силите, което е от голямо значение за взаимното свиване на антагонистите в косвените полетни мускули чрез разтягане.
От предната двойка крила може да се образува рогово покривно крило, което като неподвижно крило генерира повдигане в полет, докато по-голямата, подобна на кожа двойка задни крила е отговорна за задвижването (напр. Coleoptera, бръмбар).
Но има и многобройни видове, при които и двете двойки крила са напълно развити. Водното конче на водното конче (Anisoptera) се счита за шедьовър на природата. На всяко от четирите крила, с помощта на формата на трахеята и мембраните във въздушния поток, се образува ламинарен профил с ниско съпротивление (т.е. профил на крилото с голям резерв на дебелината) от вградени вихрови токове, които могат да се използват за плъзгане, стационарен полет и високоскоростен полет. Резервоарите за врязване, които са вградени в крилата (pteristigmata) позволяват допълнителен контрол. Въпреки че крилото съставлява само 2% от общото тегло на водното конче, то осигурява несравнима стабилност и отлични летателни характеристики, съставляващи повече от 50% от повърхността на животното. Това съотношение на теглото на крилото и повърхността към общото тегло е несравнимо във цялата човешка авиация.
По-малките насекоми обикновено използват технологията на „вихъра на предния ръб“, за да получат повдигане при пляскащ полет. Нагоре и надолу на острия им ръб на крилото създава вихър по този ръб, който може да се използва директно за повдигане, при който задната част на този вихров цилиндър засмуква крилото нагоре при низходящ ход и бута крилото нагоре при нагоре. Това обяснява отличните летателни характеристики на пеперудите (Lepidoptera), някои от които могат да изпълнят няколко междуконтинентални полета с дължина до 4000 км през живота си, като пеперудата монарх.
Полетни мускули
Крилата се движат или с косвените, или с директните полетни мускули. Директното "задвижване" се счита за оригинал.
Стойности от 0 (водно конче при плъзгащ се полет) до 1046 Hz за малки комари (род Форципомия, Ceratopogonidae) [2]. Тъй като обаче е невъзможно даден мускул да бъде контролиран при тази честота чрез директни нервни импулси, тъй като латентността и абсолютният рефрактерен период на потенциала на действие на нерв ограничава максимално възможната честота до около 800 до 1000 Hz, мускулите на насекомите с косвени полетни мускули се свиват независимо Преразтягане. Тъй като много малките насекоми могат да генерират въздушните сили, необходими за полет, със съответно високи честоти на махане на крилата, те винаги имат косвени полетни мускули. Летящите представители на по-оригиналния, директен тип имат определен минимален размер (скакалци, водни кончета).
Косвени полетни мускули
Името идва от факта, че мускулите не се прикрепват директно към крилата, а по-скоро мускулната сила се предава индиректно на крилата чрез скелетните елементи на гръдния кош. Мускулите, отговорни за долния ход на крилата, са разположени по протежение на гръдния кош (надлъжни мускули), мускулите, отговорни за надигането на крилата, се изтеглят от „гърба“ на гръдния кош до неговия „стомах“ (дорзовентрални мускули). Деформациите на гръдния скелет пренасят мускулната сила към крилата.
По време на полета се наблюдават на доста редовни интервали потенциали за действие на моторните неврони, които водят до освобождаването на калциеви йони от саркоплазмен ретикулум в полетните мускули. Концентрацията на калций в цитоплазмата на мускулните клетки (миоплазма) обаче не е причината за контракциите в този специфичен мускулен тип. Контракцията на мускулна клетка се предизвиква от нейното разширяване, което се случва по време на полетни операции от нейния антагонист. Наличието на определена концентрация на миоплазмен калций е необходимо, но не и достатъчно условие за свиване на косвените полетни мускули. В системата за почивка обаче първата мускулна контракция може да бъде предизвикана от първоначално освобождаване на калций, което се причинява от потенциал за действие на моторния неврон.
Системата се спира от липсата на потенциали за действие на моторните неврони, тъй като концентрацията на калций в миоплазмата след това пада толкова рязко чрез абсорбцията на йони, че контракциите вече не могат да възникнат.
Контракциите на мускулните клетки протичат по различен начин от обичайното с мускулните клетки, тъй като миозиновите глави се навеждат поради промяна в конформацията, но не се откъсват от актина, за да започнат отново при по-нататъшен актинов сегмент („биологично съоръжение“ на мускулите). Следователно скъсяването на полетния мускул е изключително малко и трябва да бъде пренесено в крилото чрез механичен превод. Този превод се постига, наред с други неща, чрез верига от едноръки лостове, при която силата се прехвърля от предната част на задната част на гръдния кош, скутума, към задната част на гърба (скуллума), а оттам отново към предната част чрез тергалните лостове, прикрепени към скутела от двете страни да бъдат докарани до ставите на крилата.
Поради този механизъм, при който и двете крила могат да бъдат отворени или размахани едновременно, мухата няма възможност да генерира задвижващи сили, които трябва да са различни от двете страни при завъртане, с различна честота на махане Вместо това може да промени амплитудата на махането на крилото и ъгъла на атака на крилото поотделно от двете страни. Това се постига чрез силно сложна конструкция на ставата на крилото и множество тънки регулиращи мускули, които могат да регулират ставата по подходящ начин.
Честотата на ударите на крилата на насекоми с косвени полетни мускули се определя от въздуха и инерционните сили, които се противопоставят на мускулното свиване. Полетните мускули или се свиват изцяло или изобщо не се дължат на предизвиканото от разтягане контракция. Когато обаче се променят амплитудата или позицията на крилото на крилото на крилото, които се използват за управление на полета, въздушното съпротивление на крилото, което се противопоставя на силата на свиване, се променя. Това променя честотата на пляскане на крилата на насекомото. В експеримента с мухи, фиксирани в гръдния кош, зависимостта на честотата на клатене от механичните свойства на цялата система, която може да се разбере като резонансна система, може да се наблюдава чрез скъсяване на крилото или чрез претегляне на крилото надолу с восък.
Контролът на полетните мускули може да бъде изключително примитивен и да бъде свързан с отчитането на земния контакт на зъбите на краката на насекомото (например в случая на мухата). За да започне, мухата просто скача от земята, нито един от краката не съобщава за контакт с земята и полетният мускул след това се стартира.
При кацане един или повече крака съобщават за контакт със земята и мускулите на крилата са спрени. Ако муха е прикрепена към гръдния си кош, без краката да докосват земята, крилата й често се люшкат дълго време.
Непряките полетни мускули на мухите и други насекоми са една от тъканите, които имат най-голям разход на енергия. Изображенията с електронен микроскоп показват изключителна плътност на митохондриите, които служат като „енергийни електроцентрали“ за всички клетки. Поради огромното количество отпадъчна топлина, произведена по време на полет, е необходима ефективна система за охлаждане. Пчелите и вероятно мухите използват много ефективното изпарително охлаждане тук - точно като бозайниците. Насекомите изпомпват хемолимфата, нагрята от летящите мускули в гръдния кош, в главата и задушават капка течност, която излиза от багажника и след това се изпарява. При мухите, които са прикрепени към горната страна на гръдния кош, това падане може да се наблюдава много добре след известно време. Тенденцията на насекомите да летят е значително намалена, когато влажността на въздуха е висока.
Мускули за директен полет
Директно задвижване се среща при по-примитивни насекоми, като водни кончета и майки. Крилата тук са директно свързани с антагонистичните мускули. Контролът на движението при директен подход към крилата е аналогичен на контрола на скелетните мускули при гръбначните животни (напр. Флексори/екстензори в мускулите на ръцете). Контракциите се задействат директно от нервната система чрез потенциалите за действие на моторните неврони. Както при ходещите движения, в централната нервна система на такива насекоми има определени нервни връзки, които също се наричат генератори на образци и които генерират свиващото се поведение на полетните мускули като потенциални последователности на действие.
Техники за въздушен бой
Последните проучвания на полета на водни кончета показаха, че водните кончета са в състояние да поддържат постоянното си положение спрямо главата и сложното око на насекомото, което искат да атакуват. В резултат позицията на приближаващото водно конче в очите на жертвата му остава постоянна, атакуващото водно конче не се забелязва. Мъжките водни кончета също се бият помежду си с подсилените предни ръбове на крилата си, за да имат по-големи шансове за размножаване, като прогонват конкурентите.