Как насекомые управляют крыльями: загадочная механика полёта
Полёт даёт ключевое эволюционное преимущество, позволив насекомым колонизировать планету, способствовать диверсификации цветковых растений и стать основой пищевой цепи для других существ.
Крылья насекомых уникальны: они не содержат мышц или нервов. В отличие от крыльев птиц, летучих мышей и птерозавров, которые эволюционировали из конечностей, крылья насекомых управляются мышцами, расположенными внутри тела, которые приводят в действие систему марионеточных «шкивов» в сложном шарнире у основания крыла.
«Шарнир крыла мухи — это, пожалуй, самая загадочная и недооценённая структура в истории жизни», — говорит Майкл Дикинсон из Caltech.
Новое исследование лаборатории Дикинсона, опубликованное в журнале Nature 17 апреля, раскрывает механику этого контроля у плодовой мушки Drosophila melanogaster.
Метод исследования:
- Созданы генетически модифицированные мушки, у которых мышцы, управляющие шарниром крыла, светятся флуоресцентным светом при активации.
- Мух помещали в камеру с тремя высокоскоростными камерами (15 000 кадров/с) для записи движения крыльев и микроскопом для детекции свечения мышц.
- Было собрано и проанализировано более 80 000 взмахов крыльев.
Ключевые результаты:
- Шарнир крыла мухи содержит 12 управляющих мышц, каждая из которых связана с одним нейроном (для сравнения, колибри использует тысячи мотонейронов для аналогичных манёвров).
- С помощью методов машинного обучения была создана карта (модель) того, как эти 12 крошечных мышц совместно и точно регулируют движение крыла.
- Новая модель, в отличие от предыдущих, описывающих только паттерн движения, объясняет, как управляющие мышцы изменяют механику шарнира, что и приводит к движению крыла.
Дальнейшие цели:
- Создание детальной физической модели, объединяющей биомеханику шарнира, аэродинамику крыльев и нейронные цепи в мозге мухи.
- Сбор данных от других летающих насекомых (комары, пчёлы) для понимания эволюции структур крыла.
- Понимание нейробиологической связи между мозгом насекомого и движением его крыльев — интерфейса «мозг–тело».
«Мы хотим понять взаимосвязь между биомеханикой и нейробиологией. Очень редко в эволюции животное, имеющее одну успешную форму передвижения — ходьбу, — просто добавляло другую — полёт. Это означает, что мозг насекомых должен содержать все схемы для регулирования двух совершенно разных способов движения», — говорит Дикинсон.