Volare è un’impresa complicata, ma se sei lungo meno di un millimetro, le cose diventano ancora più difficili: con dimensioni così piccole la fisica del volo cambia, eppure gli insetti hanno sviluppato strategie per volare in miniatura. Lo studio “Novel flight style and light wings boost flight performance of tiny beetles”, pubblicato su Nature da un team di ricercatori russi, tedeschi e giapponesi ha scoperto e descritto dettagliatamente meccanismi alla base del volo insolitamente veloce dei microinsetti: i più piccoli coleotteri piumati della famiglia Ptiliidae.
Al Dipartimento di entomologia della facoltà di biologia dell’università statale di Lomonosov di Mosca, che ha diretto lo studio, evidenziano che «Questo lavoro mette in luce uno dei fenomeni più notevoli dell’evoluzione: la miniaturizzazione, ovvero una diminuzione eccezionalmente forte delle dimensioni del corpo degli animali rispetto alle forme ancestrali. Negli insetti la miniaturizzazione è avvenuta indipendentemente in più gruppi e ha portato alla comparsa di specie di dimensioni di decimi di millimetro, paragonabili alle dimensioni di organismi unicellulari come l’ameba comune o il ciliato pantofola. Allo stesso tempo, i cavalieri delle uova, gli scarabei piumati, le mini-zanzare e molti altri microinsetti sono animali multicellulari che dimostrano forme complesse di movimento e comportamento».
Ma l’effetto della miniaturizzazione sulla struttura e sulle funzioni dei sistemi corporei è ancora poco compreso ed è proprio di questo che si occupa la ricerca del team internazionale guidato dall’entomologo Alexei Polilov dell’università Lomonosov che ha scoperto che i minuscoli coleotteri featherwing volano a una velocità tre volte superiore ai coleotteri più grandi e che, inoltre, sviluppano una maggiore accelerazione rispetto ai coleotteri di taglia maggiore e che, in termini di dimensioni per unità di tempo superano tutti gli animali per i quali è stato calcolato questo parametro. Ma finora il meccanismo del loro volo era ancora sconosciuto.
Il principale autore dello studio, Sergey Farisenkov, anche lui un entomologo della Lomonosov, evidenzia che «Il nostro lavoro combina moderni metodi morfologici, ricostruzione tridimensionale del movimento di parti del corpo in volo e nuovi approcci nell’aerodinamica computazionale, che hanno permesso di comprendere il meccanismo estremamente efficiente di volo di questi insetti. Utilizzando l’esempio di uno dei coleotteri più piccoli, Paratuposa placentis, la cui lunghezza corporea è inferiore a 400 micrometri, abbiamo scoperto che le loro performances di volo elevate sono assicurate da diversi adattamenti».
Il coleottero featherwing è dotato di “alleggerite” che, a differenza delle ali dei grandi coleotteri, hanno una membrana molto stretta, delimitata da un ventaglio di setole ricoperte da lunghe escrescenze, che nella struttura ricordano una piuma d’uccello. I coleotteri Featherwing hanno però anche uno stile di volo precedentemente sconosciuto e descritto nello studio: «Come altri coleotteri, Paratuposa placentis usa le ali posteriori per il volo, che sono piegate a riposo sotto elitre rigide – un paio di ali anteriori trasformate. Le ali posteriori piumate si muovono lungo una traiettoria che forma un’ampia figura a 8, compiendo movimenti tipo “voga” alternati a schiocchi sia sopra che sotto il corpo del coleottero. Il lembo rigido di elitre con un’ampiezza insolitamente grande per i coleotteri, funge da freno inerziale che compensa la rotazione del corpo derivante dall’insolita traiettoria delle ali».
I coleotteri studiati dal team sono stati catturati in Vietnam e poi sono stati collocati in una scatola speciale, quindi il loro volo è stato filmato con due videocamere ad alta velocità. Basandosi sulle registrazioni video, è stata realizzata una ricostruzione tridimensionale del movimento delle ali, delle elitre e del corpo del mini-coleottero, che ha permesso di eseguire calcoli aerodinamici accurati utilizzando appositi software. La struttura delle ali del coleottero è stata studiata utilizzando microscopi a scansione elettronica e laser confocale. Grazie a uno studio così completo è stato possibile comprendere per la prima volta in dettaglio il meccanismo di volo dei microinsetti.
I ricercatori russi evidenziano che «Con un tale grado di miniaturizzazione, le forze di attrito viscoso sono molto elevate, quindi l’aria praticamente non passa tra le setole. A causa della loro bassa permeabilità, le ali piumate dei microinsetti sono efficienti quasi quanto quelle membranose in termini di efficienza aerodinamica, pur avendo una massa inferiore e, di conseguenza, inerzia. I microinsetti creano una parte significativa delle forze aerodinamiche grazie alla resistenza delle ali che si muovono ad elevati angoli di attacco. Il loro volo è per molti versi simile al nuoto: le ali fanno movimenti di voga, quindi si piegano e tornano alla posizione originale per il colpo successivo».
Un altro autore dello studio, Alexey Polilov, della lomonosov e del Joint Russian-Vietnamese Tropical Research and Technological Center di Ho Chi Minh City, spiega quali potrebbero essere le possibili applicazioni di questa scoperrta: «Ora abbiamo in programma di studiare il volo di altri insetti in miniatura con gli stessi dettagli. Abbiamo già iniziato la ricerca utilizzando una serie di metodi che ci hanno permesso di comprendere la meccanica di volo degli scarabei piumati. L’apparato alare di altri insetti più piccoli è disposto in modo leggermente diverso e la loro miniaturizzazione è avvenuta in modo indipendente. Pertanto, ci aspettiamo che la nostra ricerca porti nuove scoperte. Lo studio dell’aerodinamica delle ali piumate in miniatura è un compito importante, perché tali condizioni di flusso sono caratteristiche di molti oggetti viventi e non viventi in miniatura. Le nuove conoscenze sul volo dei microinsetti consentono una migliore comprensione della loro biologia, possibilità di distribuzione e ruolo negli ecosistemi. Inoltre, i principi del volo battente degli insetti sono già utilizzati dagli ingegneri nella progettazione di veicoli aerei senza pilota sperimentali».
L’atro autore principale dello studio, Dmitry Kolomenskiy del Tokyo Institute of Technology e dello Skolkovo Institute of Science and Technology di Mosca, conclude: «Lo studio dell’aerodinamica degli insetti in miniatura ha richiesto metodi computazionali specializzati. Tradizionalmente, ci sono due approcci computazionali fondamentalmente diversi: il primo viene utilizzato per modellare grandi animali volanti e uccelli acquatici, il secondo viene utilizzato per i flagellati. Il movimento dell’aria vicino a una singola setola dell’ala pennata è estremamente viscoso ed è simile al movimento del fluido vicino al flagello. Ma sulla scala del corpo di un insetto, il movimento dell’aria è in gran parte determinato dalle forze di inerzia. La difficoltà sta nel fatto che il diametro delle setole è centinaia di volte inferiore alla lunghezza del corpo. Pertanto, è stato sviluppato un algoritmo adattivo che consente di descrivere in dettaglio scale di movimento così diverse con una determinata precisione. Riteniamo che sarà utile per risolvere un’ampia gamma di problemi che richiedono la modellazione multiscala».
