視界に映る小さな空中アクロバット: 研究者らは、世界最小の空を飛ぶカブトムシの驚くべき業績の根底にあるものを明らかにしました。羽のような翼と洗練された羽ばたき技術を備えたこの昆虫は、サイズが 0.5 ミリメートル未満で、小型サイズで飛行するという空気力学的課題を克服します。科学者らは、天然の特許に関する洞察は技術開発にも影響を与える可能性があると述べている。
よく知られているように、特に小さいことは決定的な利点をもたらす可能性があります。このため、昆虫の中には進化の過程でさらに極端に小さくなったものもあります。しかし、小型化が進むと翼を羽ばたく際に問題が生じるため、縮小しながら飛行能力を維持するのは困難でした。簡単に言うと、空気の粘度はますます高くなります。翼が小さくなるほど、媒質はシロップのように振る舞います。したがって、小型の飛行昆虫は飛行する際に比較的多量のエネルギーを消費しなければなりません。これは典型的な飛行性能にも反映されているようです。通常、大きな飛行昆虫は小さな昆虫よりも速く移動します。
機敏な超小型飛行機の秘密を辿る
しかし、驚くべき例外もある。モスクワのロモノーソフ大学のアレクセイ・ポリロフ率いる研究者らは、以前の研究で、いわゆる羽羽甲虫（Ptiliidae）の代表的な種が、その小型サイズにもかかわらず、空中では驚くほど機敏であることをすでに示している。この小さな生き物は、大きさが0.5ミリメートル未満のものもあり、既知の飛翔昆虫の中で世界最小の部類に属し、剛毛のような羽の構造が特徴です。その大きさにもかかわらず、彼らは3倍大きい他の甲虫種と同様の飛行性能を達成します。現在の研究では、科学者らは、これがミニカブトムシの羽の特殊な構造または飛行スタイルによるものであるという仮説を調査しました。
彼らが注目したのは、ベトナムのキノコを食べて生息する大きさ約0.4ミリメートルの羽羽甲虫パラツポサ・プラセンティスだった。研究者らは顕微鏡技術を使用して、これらの小さな生き物の羽のような翼の構造を詳細に調べました。彼らは、高速度カメラを使用してさまざまな視点から画像を記録することで、昆虫の飛行スタイルを記録しました。次に、その結果をモデルと 3D シミュレーションに実装して、特徴と飛行挙動の意味について結論を導き出せるようにしました。
これにより、カブトムシの珍しい羽の構造が飛行能力にどのような役割を果たしているかが初めて明らかになりました。通常の飛行膜の代わりに、Ptiliidae は羽毛構造のように見える剛毛のような構造を持っています。 P. プラセンティスの場合、研究者らは現在、個々の剛毛に追加の伸長があることを示すことができました。研究者らの計算によると、扇状構造は膜翼に比べて重量が大幅に有利であることがわかった。これにより、ミニカブトムシは厚い空気の中で比較的簡単に羽を動かすことができます。自由空間にもかかわらず、この構造は小型スケールで粘度が高まるため、翼が羽ばたいても空気がほとんど通過しないと研究者らは説明する。
特別なビートを持つ光の翼
飛行記録の分析では、これまで知られていなかった翼の動きが文字通り影響していることも判明した。他の飛行昆虫は羽を前後に羽ばたかせるだけですが、P. placentis は空中で 8 の字のループを描きます。それは翼の垂直方向の上下の動きで構成されます。ボディの上下を逆にストロークすると、ほとんど拍手が起こります。研究者らはまた、カブトムシのエリトラも飛行の概念において重要な役割を果たしていることを示すことができた。これらは、翼が静止しているときに折り畳まれてその下にある硬い構造です。飛行中、これらの構造は翼の羽ばたきシステムを補償するように動き、それによって飛行を安定させます。肝心なのは、研究者らの空気力学シミュレーションが、このシステム全体が甲虫の小宇宙における特別な飛行性能を可能にしていることを示しているということだ。
研究チームは現在、その方法を使って他の小さな昆虫の飛行概念を調査する予定だ。彼らは、進化の過程で、ミクロスケールでの空気力学的課題に対する他の解決策がどの程度現れているかを知りたいと考えています。研究チームが強調しているように、この結果は生物学以上の意味を持つ可能性がある。昆虫の羽ばたき飛行の原理は、小型飛行装置の開発に技術者によってすでに使用されています。微小昆虫の能力に関する洞察により、さらなる小型化が可能になる可能性があります。
出典: ロモノーソフ モスクワ州立大学、専門記事: Nature、doi: 10.1038/s41586-021-04303-7
