Hyönteisten lennon salaperäinen mekaniikka

Lentämisen avulla hyönteiset ovat kolonisoineet planeetan ja edistivät kukkivien kasvien massiivista monipuolistumista toimimalla tehokkaina pölyttäjinä. Ne mahdollistivat myös muiden olentojen, kuten matelijoiden, lintujen ja nisäkkäiden, evoluution toimimalla runsaana ravintona.

Lentäminen on kehittynyt neljä kertaa maan elämän historiassa: linnuissa, lepakoissa, pterosauruksissa ja hyönteisissä. Kolme ensimmäistä eläinryhmää kehittivät siipensä käsistä, mikä teki ne helpommin ymmärrettäviksi.

Hyönteisten siivissä ei kuitenkaan ole lihaksia tai hermoja. Sen sijaan niitä ohjaavat kehon sisällä sijaitsevat lihakset, jotka käyttävät marionettimaisia ​​väkipyöriä siiven perustassa olevassa monimutkaisessa saranassa.

"Perhon siiven sarana on ehkä elämänhistorian mysteerisin ja aliarvostetuin rakennelma", sanoo Michael Dickinson, biotekniikan ja ilmailun professori.

Dickinsonin ja hänen kollegoidensa uuden tutkimuksen kohteena on, kuinka hyönteinen hallitsee tätä pientä, monimutkaista rakennetta hedelmäkärpäsessä Drosophila melanogaster.

Nopeiden kameroiden ja koneoppimisen avulla Dickinsonin laboratorio keräsi tietoja kymmenistä tuhansista kärpästen siipien lyönnistä ja loi kartan siitä, kuinka kärpäsen lihakset nukkenäyttelijämäisesti saranoi siiven liikettä ketterien aerodynaamisten lentoliikkeiden luomiseksi.

Kärpäsen siiven saranassa on 12 ohjauslihasta, joista jokaiseen on liitetty yksi neuroni. Aiheeseen liittyen, vaikka kolibrilla on sama ohjattavuus kuin kärpäsellä, se käyttää tuhansia motorisia neuroneja suorittaakseen samanlaisia ​​lentoliikkeitä.

"Emme halunneet vain ennustaa siipien liikettä; halusimme tietää yksittäisten lihasten roolin", sanoo Johan Melis, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja. "Halusimme yhdistää siiven saranan biomekaniikkaa niitä ohjaaviin neuropiireihin."

Ensinnäkin ryhmä loi geneettisesti muokatun D. melanogasterin, jossa siiven saranaa ohjaavat lihakset hehkuivat fluoresoivalla valolla, kun ne aktivoituvat. Nopeat kamerat tallentavat siipien lyöntien tarkan liikkeen, kun taas erikoismikroskooppi tarkkailee aktivoituvien lihasten hehkua. Näiden kahden yhdistäminen koneoppimiseen johtaa uuteen ymmärrykseen siitä, kuinka kärpäsen lihakset käyttävät siiven sarananiveltä.

Jatkotyössä tiimi pyrkii luomaan yksityiskohtaisen fysiikkaan perustuvan mallin, joka yhdistää saranan biomekaniikan siipien aerodynamiikkaan ja taustalla olevaan hermopiiriin kärpäsen aivoissa.

Lopullisena tavoitteena on ymmärtää kärpäsen aivojen ja sen siipien liikkeen välinen neurobiologinen yhteys. "Siiven sarana on vain laitteisto; todellinen intohimo laboratoriossamme on ollut aivojen ja kehon rajapinta", Dickinson sanoo. "Haluamme ymmärtää biomekaniikan ja neurobiologian välisen piirin.

Hyvin harvoin evoluution aikana eläimellä on ollut vain yksi erittäin onnistunut liikkumismuoto - kävely - ja yksinkertaisesti lisätty toinen - lentäminen. Tämä tarkoittaa, että hyönteisten aivoissa on oltava kaikki ohjauspiirit säätelemään täysin eri liikkumistapoja."

Aiheesta aiemmin:

Hedelmäkärpäsen digitaalinen kaksonen