Zborul insectelor - biologie
Zborul insectelor este cel mai vechi mod de a te deplasa prin aer și include diverse tehnici de zbor. Nu există nicio diferență fundamentală în ceea ce privește zborul fluturant al păsărilor în ceea ce privește forțele de ridicare și propulsie care sunt decisive pentru zbor: aripile în sus și în jos servesc atât ca aripi, cât și ca unitatea de antrenare, marginile lor anterioare sunt rigidizate, în timp ce restul părții rămâne elastică. Cu toate acestea, datorită dimensiunii medii mai mici a insectelor zburătoare, frecvența de batere a aripilor lor este mult mai mare în comparație cu cea a vertebratelor. [1]
Aripile insectelor sunt aripi din chitină, care provin din protuberanțele pielii. Insectele zburătoare sunt cel mai bogat grup de specii din întreg regnul animal și majoritatea speciilor au două perechi de aripi. Structura cu patru aripi este un obstacol în calea zborului, motiv pentru care există o tendință evolutivă către structuri cu două aripi. [1]
Zbor la numere mici și medii ale lui Reynolds
În funcție de mărimea insectei și de viteza de zbor, aerul pentru insectă este diferit „dur”. Prin urmare, insectele deosebit de mici „înoată” în aer, ceea ce pentru ele este la fel de dur ca apa datorită dimensiunii și vitezei de zbor (vezi numărul Reynolds sau „Când aerul devine lipicios”). Prin urmare, nu au o aripă favorabilă aerodinamic, ci doar generatoare de rezistență asemănătoare periei, cum ar fi părul sau aripa cu franjuri.
Insectele zburătoare mai mari sau mai rapide folosesc de obicei aripi transparente ale pielii. Dintre acestea, fie perechea din spate poate fi redusă la așa-numitele „becuri swinging”, care se rotesc doar împotriva aripilor pentru a echilibra masele și sunt folosite ca instrument giroscopic (în diptere precum țânțarii și muștele)
Cu muștele, cursa descendentă a aripii are loc de sus înapoi în jos cu poziția orizontală a aripii. Ca urmare, rezistența aerului este maximă pe direcție verticală și minimă pe direcție orizontală. Acest lucru creează un nivel ridicat de ridicare și o cantitate minimă de forță înapoi. Când aripa este în sus, aripa este deplasată din partea din față inferioară în partea din spate superioară, cu aripa poziționată vertical. Acest lucru are ca rezultat o rezistență minimă a aerului în direcție verticală și o forță de forță corespunzătoare redusă, precum și o rezistență maximă în direcție orizontală și, în consecință, o propulsie maximă. Această împărțire a sarcinilor grupurilor musculare antagoniste în ridicare și propulsie are ca rezultat un echilibru aproximativ de forțe, care are o importanță considerabilă pentru contracția reciprocă a antagoniștilor din mușchii zborului indirect prin întindere.
O aripă de acoperire excitată poate fi formată din perechea de aripi din față, care, ca o aripă fixă, generează ridicare în zbor, în timp ce perechea de aripi din spate mai mare, asemănătoare pielii, este responsabilă de propulsie (de exemplu, Coleoptera, gândacul).
Dar există și numeroase specii în care ambele perechi de aripi sunt pe deplin dezvoltate. Aripa libelulei libelulei (Anisoptera) este considerată o capodoperă a naturii. Pe fiecare dintre cele patru aripi, cu ajutorul formei traheelor și membranelor din fluxul de aer, se creează un profil laminar cu rezistență scăzută (adică un profil de aripă cu o rezervă de grosime ridicată) prin role de curenți turbionari încorporați, care pot fi folosiți pentru zborul planos, fix cu flapping și zborul de mare viteză. Tancurile de tăiere care sunt încorporate în aripi (pteristigmata) permit un control suplimentar. Deși aripa reprezintă doar 2% din greutatea totală a libelulei, aceasta permite stabilitate de neegalat și caracteristici excelente de zbor, în timp ce reprezintă mai mult de 50% din suprafața animalului. Acest raport dintre greutatea aripii și suprafața și greutatea totală este de neegalat în toată aviația umană.
Insectele mai mici folosesc de obicei tehnologia „vârtejului de vârf” pentru a câștiga în timpul zborului. În sus și în jos, marginea sa de vârf ascuțită a aripii creează un vârtej de-a lungul acestei margini, care poate fi utilizat direct pentru ridicare, în care partea din spate a acestui rolă de vârtej aspiră aripa în sus pe cursa descendentă și împinge aripa în sus pe cursa ascendentă. Acest lucru explică caracteristicile excelente de zbor ale fluturilor (Lepidoptera), dintre care unele pot completa mai multe zboruri intercontinentale de până la 4000 km în zbor flapping în timpul vieții lor, cum ar fi fluturele monarh.
Muschii de zbor
Aripile sunt mișcate fie cu mușchii de zbor indirect, fie cu cei de zbor direct. „Unitatea” directă este văzută ca originală.
Valori de la 0 (libelula în zbor planor) la 1046 Hz pentru țânțarii mici (gen Forcipomia, Ceratopogonidae) [2]. Cu toate acestea, întrucât este imposibil ca un mușchi să fie controlat la această frecvență prin impulsuri nervoase directe, deoarece latența și perioada refractară absolută a potențialului de acțiune al unui nerv limitează frecvența maximă posibilă la aproximativ 800 până la 1000 Hz, mușchii insectelor cu mușchi de zbor indirect se contractă independent Supraextensie. Deoarece insectele foarte mici pot genera doar forțele aeriene necesare zborului cu frecvențe de flapsare ale aripilor corespunzătoare, ele au întotdeauna mușchi de zbor indirecți. Reprezentanții navigabili ai tipului mai original și direct au toți o anumită dimensiune minimă (lăcuste, libelule).
Muschii de zbor indirect
Numele provine din faptul că mușchii nu se atașează direct de aripi, ci mai degrabă puterea musculară este transferată indirect către aripi prin intermediul elementelor scheletice ale toracelui. Mușchii responsabili pentru cursul descendent al aripilor sunt dispuși de-a lungul toracelui (mușchii longitudinali), mușchii responsabili pentru cursul ascendent al aripilor se trag de la „spatele” toracelui la „stomacul” său (mușchii dorsoventrali). Deformațiile scheletului toracic transferă puterea musculară pe aripi.
În timpul zborului, potențialele de acțiune ale neuronilor motori sunt observate la intervale destul de regulate, ceea ce duce la eliberarea ionilor de calciu din reticulul sarcoplasmatic din mușchii zborului. Cu toate acestea, concentrația de calciu din citoplasma celulelor musculare (mioplasma) nu este declanșatorul contracțiilor în acest tip specific de mușchi. Contracția unei celule musculare este declanșată de expansiunea acesteia, care are loc în timpul operațiunilor de zbor de către antagonistul ei. Prezența unei anumite concentrații de calciu mioplasmatic este o condiție necesară, dar nu suficientă, pentru contracția mușchilor de zbor indirect. Cu toate acestea, în sistemul de repaus, prima contracție musculară poate fi declanșată de o eliberare inițială de calciu, care este cauzată de un potențial de acțiune al unui neuron motor.
Sistemul este oprit de absența potențialelor de acțiune ale neuronilor motori, deoarece concentrația de calciu din mioplasmă scade atât de brusc prin absorbția ionilor încât nu mai pot apărea contracții.
Contracțiile celulelor musculare procedează diferit decât în mod obișnuit cu celulele musculare, deoarece capetele miozinei se apleacă din cauza unei modificări a conformației, dar nu se detașează de actină pentru a porni din nou la un alt segment de actină („unelte biologice” ale mușchilor). Prin urmare, scurtarea mușchiului de zbor este extrem de mică și trebuie transferată pe aripă printr-o translație mecanică. Această traducere se realizează, printre altele, printr-un lanț de pârghii cu un singur braț, în care forța este transferată din partea din față a spatelui toracelui, scutum, în partea posterioară a spatelui (scutellum), și de acolo în față din nou prin intermediul pârghiilor tergale atașate scutellum de ambele părți pentru a fi adus la îmbinările aripilor.
Datorită acestui mecanism, în care ambele aripi pot fi deschise sau batute numai în același timp, musca nu are posibilitatea de a genera forțe de propulsie, care trebuie să fie diferite de ambele părți la rotire, cu o frecvență de batere diferită. În schimb, poate schimba amplitudinea clătinării aripii și unghiul de atac al aripii separat de ambele părți. Acest lucru se realizează printr-o construcție extrem de complicată a articulației aripii și o serie de mușchi de reglare subțire care pot regla articulația în mod corespunzător.
Frecvența bătăilor aripilor insectelor cu mușchi de zbor indirect este determinată de forțele de inerție a aerului și a masei care se opun contracției musculare. Mușchii zborului se contractă complet sau deloc din cauza contracției declanșate de întindere. Cu toate acestea, atunci când amplitudinea clapetei aripii sau poziția aripii se schimbă, care sunt utilizate pentru controlul zborului, se schimbă rezistența aerului pe aripa care se opune forței de contracție. Aceasta schimbă apoi frecvența bătăilor aripilor insectei. În experimentul muștelor fixate în torace, dependența frecvenței de batere de proprietățile mecanice ale întregului sistem, care poate fi înțeleasă ca un sistem de rezonanță, poate fi observată prin scurtarea aripii sau prin cântărirea aripii în jos cu ceară.
Controlul mușchilor de zbor poate fi extrem de primitiv și poate fi legat de raportarea contactului cu solul al tarsi al picioarelor insectei (cum ar fi în cazul muștei). Pentru a decola, musca sare pur și simplu de pe sol, niciunul dintre picioare nu raportează niciun contact cu solul și mușchiul de zbor este apoi pornit.
La aterizare, unul sau mai multe picioare raportează contactul cu solul și mușchii aripilor sunt opriți. Dacă o muștă este atașată de torace fără ca picioarele să atingă pământul, aripile sale bat adesea pentru o lungă perioadă de timp.
Mușchii zborului indirect al muștelor și al altor insecte sunt unul dintre țesuturile care au cea mai mare cheltuială de energie. Imaginile microscopului electronic arată o densitate extremă a mitocondriilor, care servesc drept „centrale energetice” pentru toate celulele. Datorită cantității enorme de căldură uzată produsă în timpul zborului, este necesar un sistem de răcire eficient. Albinele și probabil și muștele folosesc aici răcirea evaporativă foarte eficientă - la fel ca mamiferele. Insectele pompează hemolimfa, încălzită de mușchii zborului din torace, în cap și sufocă o picătură de lichid care iese din trunchi și apoi se evaporă. La muștele care sunt atașate de partea superioară a toracelui, această picătură poate fi observată foarte frumos după un timp. Tendința insectelor de a zbura este mult redusă atunci când umiditatea aerului este ridicată.
Muschii de zbor direct
O unitate directă se găsește la insectele mai primitive, cum ar fi libelule și mayflies. Aripile sunt aici conectate direct la mușchii antagonici. Controlul mișcării în apropierea directă a aripilor este analog cu controlul mușchilor scheletici la vertebrate (de exemplu, flexori/extensori în mușchii brațelor). Contracțiile sunt declanșate direct de sistemul nervos prin potențialele de acțiune ale neuronilor motori. La fel ca în cazul mișcărilor de mers, există anumite conexiuni nervoase în sistemul nervos central al acestor insecte, care sunt, de asemenea, numite generatoare de modele și care generează comportamentul de contracție al mușchilor zborului ca secvențe de potențial de acțiune.
Tehnici de luptă aeriană
Studii recente despre zborul libelulei au arătat că libelulele sunt capabile să își păstreze poziția constantă față de capul și ochiul complex al insectei pe care doresc să o atace. Ca urmare, poziția libelulei care se apropie în ochiul victimei sale rămâne constantă, libelulă atacantă nu este observată. Libelule masculine luptă, de asemenea, între ele, cu marginile anterioare întărite ale aripilor, pentru a avea șanse mai mari de reproducere alungând concurenții.