Физики подробно описали новый способ приземления мух на потолок

Американские физики подробно описали новый способ приземления мух на потолок. Выяснилось, что черноголовая синяя муха (Calliphora vomitoria) приземляется вверх ногами в четыре этапа, один из которых — переворот в воздухе. Момент начала переворота насекомое выбирает на основе зрительных стимулов, а потом с помощью них же подстраивает длину необходимого дошагивания или поворота после приземления, пишут ученые в Science Advances.

Умение приземляться на потолок — одна из удивительных особенностей многих насекомых. Казалось бы, только что муха нормально летела ногами вниз, а спустя какие-то доли секунды она уже оказывается сидящей вверх ногами на потолке. Вопрос, что происходит с животным за эти доли секунды, и в какой момент изменяется положение его тела: еще в воздухе, или непосредственно в момент приземления — беспокоил ученых довольно долго, и до сих пор это явление изучено не до конца.

Известно, что мухам прицепиться к потолку помогают пульвиллы — специальные подушечки-присоски на кончике вытягивающихся ног, которые прилипают к поверхности. Благодаря им насекомым даже необязательно полностью переворачивать тело перед приземлением на потолок. Некоторые из насекомых (как, например, комнатная муха Musca domestica) делают только полоборота, а остальную часть приземления «дорабатывают» ногами, иногда делая дополнительный шаг или доворачиваясь относительно вертикальной оси. А вот дрозофила перед приземлением на потолок вообще не вращается — ей оказывается достаточно замедлиться.

Несмотря на то, что многие особенности приземления насекомых на потолок описаны, далеко не все способы переворота известны, а те, которое известны, изучены не слишком детально. Так, американские биофизики под руководством Бо Чэна (Bo Cheng) из Университета штата Пенсильвания обнаружили, что этот процесс может быть значительно сложнее, чем считалось. С помощью видеографа ученые внимательно изучили, какие маневры при приземлении на потолок совершает черноголовая синяя муха (Calliphora vomitoria) — фиксировались движение крыльев, ног и положение тела в процессе приземления. Также авторы работы следили за зрительными стимулами, на которые реагирует насекомое, — в частности скоростью увеличения изображения приближающейся поверхности на сетчатке во время движения вверх, по ней животное может оценить примерное время до возможного столкновения.

Выяснилось, что приземление на потолок у этой мухи происходит в четыре стадии. Сначала насекомое резко ускоряется вверх, после этого происходит переворот тела (полный или частичный), затем животное вытягивает ноги и цепляется ими за потолок, а в конце — доворачивает свое тело относительно ног, уже жестко прикрепленных к поверхности. Весь процесс занимает около 60 миллисекунд и примерно 10 взмахов крыльев. Стадия самого переворота занимает от четырех до восьми взмахов с частотой около 170 Герц.

Схема четырехстадийного приземления мухи на потолок

Авторы работы отмечают, что и скорость (как вертикальная, так и горизонтальная), углы поворота тела и частота взмахов отличаются от попытки к попытке. При этом далеко не все из них приводят к успешной посадке. Кроме того, ученые выделили несколько закономерностей при маневрировании. В частности, чем ниже при приземлении вертикальная скорость и выше — горизонтальная, тем меньшая степень переворота нужна для успешного приземления. Интересно, что степень разворота в долях от единицы примерно соответствует вертикальной скорости в метрах в секунду: если муха замедлилась до 0,5 метров в секунду, то, чтобы сесть на потолок, ей достаточно совершить половину разворота, то есть повернуться на 90 градусов.

Кроме того, биофизики постарались определить, в какой момент насекомое начинает свой маневр. Cтатистический анализ данных показал, что сигналом к началу процедуры приземления с переворотом становится пороговое значение скорости увеличения изображения потолка на сетчатке. Зрительными стимулами также определяется необходимость в довороте тела после приземления и дополнительных движениях тела и ног.

По словам авторов работы, одна из областей, в которых полученные данные могут оказаться полезными, — это разработка летающих роботов. При этом часто ученые используют и обратную взаимосвязь, измеряя полетные характеристики небольших роботов для изучения маневрирования насекомых. Например, нидерландским ученым удалось таким образом подтвердить механизм резкого разворота дрозофил. Кроме наблюдения за самим насекомыми и их роботизированными моделями, для исследования полета животных часто используют и компьютерное моделирование: например, с помощью него физики показали, за счет чего полет шмеля оказывается устойчивым к турбулентным вихрям в воздушном потоке.