_ Cum își controlează insectele aripi: mecanica misterioasă a zborului insectelor

Mulți dintre noi ne-ar plăcea superputerea de a zbura și din motive întemeiate: Zborul oferă un avantaj evolutiv crucial. Zborul permite unui animal să călătorească rapid pe distanțe mari, în căutarea hranei și a noi habitate, consumând în același timp mult mai puțină energie decât mersul pe jos. Prin zbor, insectele au colonizat planeta și au favorizat diversificarea masivă a plantelor cu flori, acționând ca polenizatori eficienți. De asemenea, au permis evoluția altor creaturi, cum ar fi reptilele, păsările și mamiferele, servind drept sursă de hrană amplă.

Zborul a evoluat de patru ori în istoria vieții pe Pământ: la păsări, lilieci, pterozauri și insecte. Primele trei grupuri de animale și-au evoluat aripile din brațe, făcând aceste aripi ușor de înțeles, deoarece alte animale similare au oase și musculatură similare. Aripile insectelor, însă, nu au mușchi sau nervi. În schimb, sunt controlați de mușchii aflați în interiorul corpului care acţionează un sistem de scripete asemănător unei marionete într-o balama complexă de la baza aripii.

„Balamaua aripii muștei este poate cea mai misterioasă și subapreciată structură. în istoria vieții”, spune Michael Dickinson, Esther M. și Abe M. Zarem, profesor de Bioinginerie și Aeronautică de la Caltech, și ofițer executiv pentru biologie și inginerie biologică. „Dacă insectele nu ar fi dezvoltat această articulație foarte improbabilă pentru a-și bate aripile, lumea ar fi un loc foarte diferit, lipsit de plante cu flori și de creaturi familiare precum păsările, liliecii – și probabil oamenii.”

Doar cum. o insectă controlează această structură minusculă și complicată la musca de fructe Drosophila melanogaster este subiectul unui nou studiu al lui Dickinson și colegii săi. Folosind camere de mare viteză și învățare automată, laboratorul lui Dickinson a colectat date despre zeci de mii de bătăi ale aripilor de muște și a creat o hartă a modului în care mușchii muștei păpușează mișcarea balamalei aripii pentru a crea manevre de zbor aerodinamice agile.

The studiul a fost publicat în revista Nature pe 17 aprilie.

Balamaua aripii unei muște conține 12 mușchi de control, cu câte un neuron conectat la fiecare. Pentru context, în timp ce o pasăre colibri are aceeași manevrabilitate ca o muscă, folosește mii de motoneuroni pentru a executa manevre de zbor similare.

„Nu am vrut doar să prezicem mișcarea aripii; am vrut să știm. rolul mușchilor individuali”, spune Johan Melis (Ph.D. '23), primul autor al studiului. „Am vrut să legăm biomecanica balamalei aripii de circuitele neuronale care o controlează.”

În primul rând, echipa a creat D. melanogaster modificat genetic, în care mușchii care controlează balamaua aripii ar străluci fluorescent. lumina când este activată. Apoi, cercetătorii au plasat muștele într-o cameră cu trei camere de mare viteză capabile să capteze 15.000 de cadre pe secundă pentru a măsura mișcarea aripilor și un microscop pentru a detecta activarea fluorescentă a mușchilor balamalei aripii muștei.

După. colectând mai mult de 80.000 de bătăi ale aripilor, echipa a aplicat tehnici de învățare automată pentru a procesa volumul mare de date și a genera o hartă a modului în care cei 12 mușchi de control acționează împreună pentru a regla cu precizie mișcarea aripilor. Modelele computerizate anterioare de zbor zbura au descris pur și simplu modelul mișcării aripilor. Noul model, în schimb, încorporează modul în care mușchii de control modifică mecanica balamalei aripii, producând mișcarea aripii.

În munca ulterioară, echipa își propune să creeze un model detaliat bazat pe fizică care să includă biomecanica balamalei cu aerodinamica aripilor și circuitele neuronale subiacente din creierul muștei. Cercetătorii intenționează, de asemenea, să colecteze date de la alte specii de insecte zburătoare, cum ar fi țânțarii și albinele, pentru a înțelege cum au evoluat structurile aripilor pentru a permite comportamente de zbor sofisticate.

Scopul final este de a înțelege legătura neurobiologică dintre creierul unei muște și mișcarea aripilor sale. „Balamaua aripii este doar hardware-ul; adevărata pasiune în laboratorul nostru a fost interfața creier-corp”, spune Dickinson.

„Vrem să înțelegem circuitele dintre biomecanică și neurobiologie. Foarte puține oricând în evoluție, un animal a avut o formă de locomoție foarte reușită – mersul – și pur și simplu a adăugat o alta – zborul, ceea ce înseamnă că creierul insectelor trebuie să aibă toate circuitele pentru a se regla la mijloace complet diferite de mișcare.”

(Fluierul)