Как рога жуков-носорогов работают в борьбе и полёте

Рога самцов жуков-носорогов служат оружием в столкновениях с соперниками. Их форму и размеры изучают вместе с прочностью конструкции и возможными затратами при движении.

Почему форма связана со способом борьбы

В исследовании 2014 года построили механические модели рогов разных видов жуков-носорогов. Исследователей интересовало, лучше ли такая конструкция выдерживает нагрузки, характерные для борьбы её владельца, чем нагрузки другого типа. Это позволяло проверить связь формы с работой рога.

Для расчёта использовали метод, при котором сложную конструкцию разделяют на небольшие элементы и оценивают их деформацию под нагрузкой. Такое моделирование помогает сопоставлять детали разной формы при заданных условиях воздействия.

Рога оказывались прочнее и жёстче при нагрузках, соответствовавших обычному способу борьбы данного вида. При нетипичных нагрузках результаты были хуже. Поэтому одну конструкцию нельзя оценивать только по длине или внушительному внешнему виду.

Работа поддерживает предположение, что разнообразие рогов связано с различными требованиями борьбы. При этом модель отвечает на вопрос о механическом поведении при выбранных нагрузках. Она не назначает единственную причину происхождения каждой формы и не измеряет автоматически исход всех реальных столкновений. Для объяснения важны и устройство оружия, и то, каким образом его нагружает животное.

Что ограничивает увеличение длины

В другой работе 2014 года проверяли прочность рогов японского жука-носорога. У этого вида длинный головной рог может давать самцу преимущество в борьбе. Однако во время интенсивных столкновений рога иногда ломаются.

Автор сопоставила усилие, необходимое для разрушения рога, с максимальным усилием, которое действует на него во время типичной борьбы. Отношение этих двух величин использовали как показатель запаса прочности. Он показывает, насколько нагрузка разрушения превышает рабочую нагрузку.

С увеличением длины рога этот запас уменьшался. Следовательно, особенно длинная конструкция могла оказаться ближе к своей механической границе. Сам по себе большой размер не означает пропорционально большую устойчивость к разрушению.

На основании измерений автор предложила механическое ограничение дальнейшего увеличения рогов. Преимущество длины в столкновениях может сочетаться с риском повреждения. Это объяснение опирается на исследованный вид и показатели нагрузки; его не следует превращать в точную допустимую длину для любого жука. Внешний портрет также не показывает, какое усилие выдержит конкретный рог.

Мешает ли длинный рог летать

Исследование 2012 года проверило полёт японских жуков-носорогов. В полевых наблюдениях измеряли скорость свободно летящих насекомых и перемещения между кормовыми деревьями. Результаты сопоставляли с размерами тела и рогов, а также с устройством крыльев и массой полётных мышц.

Самцы летели с такой же скоростью, как самки. Среди самцов длина рога не была связана с измеренной скоростью или пройденным расстоянием. Ожидаемого заметного ухудшения этих показателей при более длинном роге не обнаружили.

При этом у самцов относительно размера тела были крупнее крылья и полётные мышцы. Самцы с более длинным для своего тела рогом также имели более крупные крылья. Масса полётных мышц от длины рога не зависела.

Авторы обсуждали возможную компенсацию затрат устройством полётного аппарата. Это интерпретация найденных соотношений. Наблюдения не прослеживают всю историю возникновения признаков. Они показывают, что в изученной популяции внешний размер рога не позволял просто предсказать ухудшение полёта, и помогают поставить более конкретный вопрос о причинах такого результата.

Как проверили массу и сопротивление воздуха

Работа 2013 года разобрала возможные механические затраты большого рога у того же вида. Проверяли три предполагаемых последствия: увеличение массы, смещение центра массы вперёд и дополнительное сопротивление воздуха.

Рога оказались сравнительно лёгкими. Их вклад в общую массу и её распределение был небольшим. Измерения сопротивления также показали слабый эффект при характерных для жуков небольших скоростях и большом наклоне тела во время полёта.

Вместе масса рога и его сопротивление увеличивали расчётное усилие, необходимое для полёта, менее чем на три процента даже у самых крупных исследованных самцов. Это показатель механического усилия, который нельзя автоматически подменять полной стоимостью жизни или общими энергетическими расходами животного.

Результат помогает связать полевые наблюдения с физическими свойствами конструкции. Большой рог может выглядеть тяжёлым, но важны его настоящая масса, положение и условия обтекания воздухом. Авторы предположили, что небольшие затраты на перенос такого оружия могли облегчать разнообразие форм. Это возможное эволюционное объяснение, которое дополняет измеренные механические параметры.