Крыло мельчайшего жука

Это перышко — вовсе не перышко, а целое крыло! Хотя и не птичье, а жучиное, и длина его — всего лишь около полумиллиметра. Примерно так выглядят крылья самых маленьких жуков — представителей семейства перокрылок (Ptiliidae). В этом семействе есть и сравнительно крупные виды, имаго (взрослые особи) которых достигают 4 мм в длину, но у большинства видов длина тела имаго не превышает 1 мм. А необычное крыло на микрофотографии принадлежит мельчайшему известному науке представителю семейства — центрально- и южноамериканскому виду Scydosella musawasensis, длина тела которого составляет лишь около трети миллиметра (у мельчайших измеренных особей — 0,325 мм), что сравнимо с размерами многих одноклеточных, например обыкновенной амёбы (Amoeba proteus).

Scydosella musawasensis — не только самый маленький жук, но и самое маленькое свободноживущее (непаразитическое) насекомое. Еще меньше среди взрослых насекомых бывают только некоторые наездники — перепончатокрылые паразитоиды, личинки которых развиваются внутри других насекомых (у мельчайших наездников — внутри яиц других мелких насекомых), при этом рано или поздно убивая своего хозяина (см. картинку дня Самое маленькое насекомое). Но из насекомых, развивающихся «на свободе», никого меньше сцидозеллы найти пока не удалось.

Эти род и вид были впервые описаны в 1999 году по экземплярам из Центральной Америки, собранным еще в 1955 году. Родовое название Scydosella дано за некоторое сходство с другими мелкими жуками — сцидменинами (подсемейство Scydmaeninae семейства коротконадкрылых жуков, или стафилинид), а видовой эпитет musawasensis образован от названия деревни Мусавас (Musawás) в Никарагуа. Так что по-русски это насекомое можно назвать «сцидозелла мусавасская».

Мельчайший известный науке жук — перокрылка Scydosella musawasensis, вид сверху (А), сбоку (B) и снизу (C). Изображение получено на сканирующем электронном микроскопе А. А. Полиловым, собравшим жуков этого вида в Колумбии и первым измерившим их с точностью до микрометра. Фото из статьи А. А. Полилов, 2015. How small is the smallest? New record and remeasuring of Scydosella musawasensis Hall, 1999 (Coleoptera, Ptiliidae), the smallest known free-living insect

Почему же мельчайшие перокрылки обладают такими странными крыльями, похожими на птичьи перья, с крыловой пластинкой как стержень и бахромой из длинных щетинок по краю, подобным бородкам птичьего пера (см. картинку дня Стержень, бородки и крючки)? Подобные крылья независимо возникали в ходе эволюции при миниатюризации во многих группах летающих насекомых: не только у жуков, но и у мельчайших перепончатокрылых (наездников-яйцеедов из разных семейств), трипсов и некоторых других. Отечественный энтомолог и палеонтолог Борис Борисович Родендорф назвал подобное строение крыльев птилоптеригией (то есть перокрылостью, от греческих слов πτῐ́λον и πτερόν, означающих «перо» и «крыло» соответственно).

Независимое возникновение такого строения в разных группах микронасекомых — конечно, не случайность. Дело в том, что в ходе эволюции при уменьшении размеров летающих насекомых принципиально меняется соотношение сил, действующих на тело в полете. Держаться в воздухе крошечному насекомому легче, чем крупному, потому что соотношение сил вязкого трения и силы тяжести (веса тела) при уменьшении размеров смещается в пользу трения, но при этом в воздухе вокруг крыльев образуется меньше завихрений (турбулентностей), за счет которых во многом и летают обычные, более крупные насекомые. В результате полет мельчайших насекомых оказывается похож не столько на полет как мы его знаем, сколько на плавание.

Крыло мельчайшего жука испытывает в воздухе такое воздействие аэродинамических сил, какое подобное ему крыло намного больших размеров, сравнимое с крылом голубя (или одной из самых крупных бабочек, что примерно то же самое), испытывало бы не в воздухе, а в очень вязкой жидкости, например в глицерине. Поэтому и строение крыла для эффективного полета в таких условиях требуется иное.

Длинные периферические (окаймляющие по краю) щетинки на крыльях микронасекомых создают структуру, подобную опахалу птичьего пера, состоящему из отдельных бородок, но при этом в полете почти не пропускающему воздух. Перовидные крылья намного легче, чем могли бы быть, если бы площадь, занятая щетинками, была бы заполнена сплошной мембраной крыловой пластинки, и благодаря вязкому трению задерживают значительную часть воздуха, сквозь который движется крыло. Причем чем меньше жук, тем длиннее (относительно длины крыла) периферические щетинки его крыла и тем их меньше, а крыловая пластинка — тем ýже.

Крылья жуков-перокрылок разных видов в одном масштабе. Рисунок из статьи A. A. Polilov et al., 2019. Wing morphology in featherwing beetles (Coleoptera: Ptiliidae): Features associated with miniaturization and functional scaling analysis, с изменениями

Похожие тенденции наблюдаются и среди других микронасекомых с перовидными крыльями, но у крыльев мельчайших жуков есть две уникальных особенности. Во-первых, если рассмотреть периферические щетинки их крыльев при большом увеличении, мы увидим, что сами эти щетинки, подобно бородкам первого порядка на перьях у птиц, покрыты, в свою очередь, довольно длинными выростами, отчасти напоминающими бородки второго порядка на птичьих перьях, хотя и расположенными не в одной плоскости, а по всему диаметру щетинки. По-видимому, эти выросты еще сильнее уменьшают проницаемость бахромы из щетинок для воздуха, при этом лишь ненамного увеличивая массу крыла.

Участок одной из щетинок крыла Scydosella musawasensis при большом увеличении. Фото из статьи A. A. Polilov et al., 2019. Wing morphology in featherwing beetles (Coleoptera: Ptiliidae): Features associated with miniaturization and functional scaling analysis, с изменениями

Во-вторых, из всех микронасекомых только жуки умеют складывать свои крылья под надкрыльями (видоизмененными передними крыльями, которые имеются почти у всех жуков и служат чехлами, защищающими сложенные задние крылья, когда жук не использует их для полета). Крошечные крылья микрожуков сложены под надкрыльями в несколько раз: согнуты в четырех или пяти местах, а щетинки согнуты у основания. Пока не вполне понятно, как жукам удается разворачивать свои перовидные крылья перед полетом и аккуратно прятать их под надкрылья после приземления, но ясно, что в этом процессе участвуют и неравномерно распределенные упругие участки крыла, и специальные выросты на надкрыльях и под надкрыльями, и особые движения брюшка.

Сложенные под надкрыльями крылья жуков-перокрылок Nossidium pilosellum (А) и Ptenidium pusillum (B, C). Фото из статьи A. A. Polilov et al., 2019. Wing morphology in featherwing beetles (Coleoptera: Ptiliidae): Features associated with miniaturization and functional scaling analysis, с изменениями

Долгое время среди энтомологов было распространено мнение, что мельчайшие жуки наверняка летают намного хуже, чем их более крупные родственники (хотя никто из жуков не относится к лучшим летунам среди насекомых). Но когда в лабораторных условиях удалось заснять полет перокрылок из числа самых миниатюрных, оказалось, что для своих размеров они летают очень неплохо: и довольно быстро, и весьма маневренно.

При этом их крылья совершают в полете движения, сильно отличающиеся от движений крыльев более крупных жуков. Самое заметное отличие — огромная амплитуда взмахов крыльев, вершины каждого из которых описывают в полете широкую восьмерку, при этом схлопываясь не только вверху, над головой (что встречается у многих летающих насекомых), но и внизу, под брюшком, что ни у каких других насекомых не наблюдалось. Кроме того, мельчайшие перокрылки с довольно большой амплитудой размахивают при полете надкрыльями, в отличие от других жуков, у которых надкрылья во время полета почти не движутся относительно тела. Участвуют ли движения надкрыльев в создании подъемной силы, или помогают уменьшить колебания тела в полете, или же их взмахи — лишь побочный эффект широких взмахов перовидных крыльев, — это нам еще предстоит выяснить.

Фото из статьи A. A. Polilov, N. I. Reshetnikova, P. N. Petrov, S. E. Farisenkov, 2019. Wing morphology in featherwing beetles (Coleoptera: Ptiliidae): Features associated with miniaturization and functional scaling analysis, с изменениями.

Петр Петров, Ирина Панина