Novel flight type and lightweight wings increase flight efficiency of tiny beetles

Datenberichterstattung

Es wurden keine statistischen Methoden verwendet, um die Stichprobenumfänge vorher festzulegen. Die Experimente waren nicht randomisiert, und die Forscher wurden während der Experimente und der Ergebnisbewertung nicht hinsichtlich der Zuteilung verblindet.

Material

Adulte Federflügelkäfer (P. placentis (Coleoptera: Ptiliidae)) wurden im November 2017 im Cát Tiên Nationalpark, Vietnam, gesammelt. Die Käfer wurden gesammelt und zusammen mit dem Substrat zu ihrer Sicherheit an das Labor geliefert. Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen wurden am selben Tag während einiger Stunden nach dem Sammeln gemacht.

Morphologie und Morphometrie

Das Material für morphologische Untersuchungen wurde in alkoholischer Bouin-Lösung oder in 70 % Ethanol fixiert. Die Flügelstruktur wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM Jeol JSM-6380 und FEI Inspect F50) nach Dehydratisierung der Proben und Trocknung am kritischen Punkt, gefolgt von Goldsputtern, untersucht. Ein konfokales Mikroskop (CLSM Olympus FV10i-O) und ein Durchlichtmikroskop (Olympus BX43) wurden ebenfalls verwendet, wofür die Proben geklärt und mikroskopische Objektträger hergestellt wurden26 (Ergänzende Angaben). Messungen wurden von digitalen Fotografien in Autodesk AutoCAD-Software in zehn Wiederholungen (sofern nicht anders angegeben) genommen. Körpergewichte und Gewichte bestimmter Körperteile wurden auf der Grundlage von dreidimensionalen Rekonstruktionen berechnet (Ergänzende Informationen).

Flügelmasse und Trägheitsmomente

Die Volumina des Blattstiels und des membranösen Teils (des Flügels) des Flügels wurden unter Verwendung von bildbasierten geometrischen CLSM-Modellen gemessen. Es wurde eine gleichmäßige Kutikuladichte von 1.200 kg m-3 angenommen27. Die Flügelmasse wurde durch Aufsummieren der Beiträge von Blattstiel, Blattspreite und Borsten erhalten. Um die Masse der Setae zu berechnen, haben wir zunächst ihre lineare Dichte (0,96 μg m−1) unter Verwendung eines dreidimensionalen Modells geschätzt25 und mit der Länge multipliziert. Der Blattstiel und das Blatt des Flügelmodells haben eine konstante Dicke ohne Adern. Ein möglicher Bereich der Membrandicke wurde auf der Grundlage von Messungen bei T. telengai (Hymenoptera: Trichogrammatidae, Körperlänge 0,45 mm), O. atomus (Coleoptera: Corylophidae, Körperlänge 0,8 mm) und L. atomus (Coleoptera: Hydraenidae , Körperlänge 1,1 mm), auf 0,5 µm dicke histologische Schnitte, erhalten durch Diamantmesserschneiden unter Verwendung eines Leica-Mikrotoms, nach Fixierung und Einbettung in Araldit. Diese Werte sind die minimalen Dicken, die bei jeder Art gemessen wurden. Die Messungen wurden unter Verwendung eines Olympus BX43-Mikroskops durchgeführt. Der Messfehler der Längenmaße liegt in der Größenordnung von 1 % in Spannweiten- und Sehnenrichtung und 10 % für die Dicke. Die SD der Flügelkutikuladichte25 beträgt etwa 100 kg m−3. Dies deutet darauf hin, dass der gesamte Wurzelsummenquadratfehler der Flügelmassenberechnung etwa 13 % beträgt. Zur Bewertung der Trägheitsmomente wurden die Oberflächendichte der membranartigen Teile und die lineare Dichte der Borsten berechnet. Die Trägheitsmomente der einzelnen Setae wurden mit der Formel für einen dünnen Stab im Winkel und dem Parallelachsensatz berechnet. Die Trägheitsmomente der membranösen Teile wurden mit einer zweidimensionalen Quadraturregel mit dem Diskretisierungsschritt von 50 μm berechnet.

Hochgeschwindigkeitsaufnahme

Der Flug der Käfer wurde in geschlossenen 20 × 20 × 20 mm großen Kammern aufgezeichnet, die speziell aus 1,0 mm dicken Objektträgern und 0,15 mm Deckglas bei einer natürlichen Beleuchtungsstärke im sichtbaren Licht hergestellt wurden. Während der Aufzeichnung befanden sich 20–30 Insekten in der Flugkammer. Zur Temperaturstabilisierung wurde die Flugkammer durch einen Luftventilator von außen gekühlt. Die von einem digitalen Thermoelement gemessene Umgebungstemperatur betrug 22–24 °C; die Temperatur der Flugkammer betrug 22–26 °C.

Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen wurden mit zwei synchronisierten Evercam 4000-Kameras (Evercam) mit einer Frequenz von 3.845 FPS und einer Verschlusszeit von 20 μs im Infrarotlicht (850 nm LED) gemacht. Die Hochgeschwindigkeitskameras wurden auf optischen Schienen genau orthogonal zueinander montiert und beide im 0°-Winkel zum Horizont positioniert. Zwei IR-LED-Leuchten wurden gegenüber den Kameras und eine Leuchte über der Flugkammer platziert. Eine grafische Darstellung des Versuchsaufbaus findet sich in der vorangegangenen Studie2.

Vermessung der Kinematik

Für die Analyse wurden 13 Aufnahmen ausgewählt. Für vier davon (PP2, PP4, PP5 und PP12) haben wir die Kinematik von Körperteilen in jeweils vier kinematischen Zyklen rekonstruiert und CFD-Berechnungen durchgeführt, da der Flug dieser Exemplare dem konventionellen Schweben besonders ähnlich war: relativ langsamer Normalflug mit horizontaler Geschwindigkeit 0,057 ± 0,014 ms−1 (im Folgenden Mittelwert ± sd) und 0,039 ± 0,031 ms−1 Vertikalgeschwindigkeit (PP2, PP4, PP5 und PP12). In der CFD-Analyse mit dem membranösen Flügelmodell haben wir die Kinematik von PP2 ausgewählt, die die Flügel beim Klatschen nicht kreuzt. Dieser Fall ist geeignet, um die Leistung von Borstenflügeln mit häutigen Ersatzflügeln zu vergleichen, da er garantiert, dass sich letztere nicht schneiden. Der Umfang der Membran wird durch Linien gebildet, die die Spitzen der Borsten verbinden (siehe die vorherige Studie25 für mehr Informationen). Die Beschreibungen von Kinematik und Aerodynamik sowie die Abbildungen beziehen sich auf Ergebnisse, die für einzelne PP2 erzielt wurden. Für die Ergebnisse anderer Proben siehe ergänzende Informationen und erweiterte Daten Abb. 2, 46.

Die durchschnittliche Flügelschlagfrequenz wurde als Mittelwert der Flügelschlagfrequenz in allen Aufzeichnungen berechnet. Bei jeder Aufnahme wurde die Anzahl der Frames in mehreren vollständigen kinematischen Zyklen gezählt, insgesamt 104 Zyklen.

Zur mathematischen Beschreibung der Kinematik der Flügel und Flügeldecken haben wir das System der Euler-Winkel verwendet28,29 (Feige. 2b) basierend auf einer Frame-für-Frame-Rekonstruktion der Position der Körperteile des Insekts (Flügel, Elytra und Körper selbst), die in Autodesk 3Ds Max durchgeführt wurde. Dreidimensionale Modelle des Körpers und der Flügeldecken wurden durch konfokales Mikroskopbildstapeln erhalten, und das flache Flügelmodell basierte auf lichtmikroskopischen Fotos von sezierten Flügeln. Wir haben das starre Flachflügelmodell zur Rekonstruktion der Kinematik verwendet, da die Verformungen der Flügel gering sind (Ergänzende Informationen). Zuerst haben wir Rahmensequenzen mit jeweils vier vollständigen kinematischen Zyklen vorbereitet. Die Rahmen wurden dann zentriert und punktweise zwischen den Basen der Flügel beschnitten und dann als orthogonale Projektionen platziert. Virtuelle Modelle von Körperteilen wurden in ein Koordinatensystem mit zwei Bildebenen gelegt. Dann veränderten wir manuell die Position und drehten Körperteile, bis ihre orthogonalen Projektionen die Bildebenen überlagerten. Zur Berechnung der Eulerwinkel wurde ein Koordinatensystem erstellt (Abb. 2a). Die X0Y-Ebene ist eine Ebene parallel zur Schlagebene und schneidet die Basis des Flügels oder Elytrons, der im Nullpunkt positioniert ist. Um die Position der Strichebene zu bestimmen, haben wir anstelle der linearen Trendlinie die Trendlinie der Hauptachse der Flügelspitzenkoordinaten berechnet29, weil die Flugbahn der Flügelspitze von P. placentis ein breites Streudiagramm bildet. Der Hubabweichungswinkel (θ) und der Positionswinkel (φ) wurden aus den Koordinaten der Basis und des Scheitels berechnet. Der Steigungswinkel (ψ) ist der Winkel zwischen der Strichebene und der Sehne senkrecht zur Linie zwischen Basis und Scheitel. Der Körperneigungswinkel (χ) ist der Winkel zwischen Schlagebene und Längsachse des Körpers, berechnet als Linie zwischen der Bauchspitze und dem Mittelpunkt zwischen den apikalen Antennen. Der Neigungswinkel (β) der Strichebene relativ zum Horizont wurde ebenfalls gemessen.

Für die Analyse der Fluggeschwindigkeit haben wir in beiden Projektionen die Verfolgung der Körpermitte (Mittelpunkt zwischen den äußersten Rändern des Kopfes und des Bauches) in Tracker (Open Source Physics) durchgeführt und die momentane Geschwindigkeit und ihre vertikalen und horizontalen Komponenten in jedem Frame berechnet . Die erhaltenen Geschwindigkeitswerte wurden durch Lössanpassung in R (Statistikpaket) gefiltert. Der minimale Abstand zwischen den Flügelblattspitzen während des Bodenschlags wurde ebenfalls berechnet.

Computergestützte Strömungsdynamik

Es wurden Zeitintervalle des Langsamfluges mit einer Dauer von mehr als vier Flügelschlägen ausgewählt. Die Winkel φ, θ und ψ des linken Flügels, rechten Flügels und der Flügeldecken sowie der Körperwinkel χ wurden auf einem einheitlichen Gitter mit der Zeitschrittweite Δt = 2,6 × 10−6 s interpoliert. Durch numerisches Lösen von φ