Многие из нас хотели бы обладать сверхспособностью летать, и на то есть веские причины: полет дает важнейшее эволюционное преимущество. Полет позволяет животным быстро преодолевать большие расстояния в поисках пищи и новых мест обитания, затрачивая при этом гораздо меньше энергии, чем при ходьбе. Благодаря полету насекомые колонизировали планету и способствовали массовому разнообразию цветковых растений, действуя как эффективные опылители. Они также способствовали эволюции других существ, таких как рептилии, птицы и млекопитающие, служа достаточным источником пищи. За всю историю существования жизни на Земле полет развивался четыре раза: у птиц, летучих мышей, птерозавров и насекомых. Первые три группы животных развили свои крылья из рук, что делает их простыми для понимания, поскольку другие подобные животные имеют аналогичные кости и мускулатуру. Крылья насекомых, однако, не имеют мышц или нервов. Вместо этого они управляются мышцами, расположенными внутри тела, которые управляют системой блоков, похожих на марионетки, в сложном шарнире у основания крыла.
"Шарнир крыла мухи - это, пожалуй, самая загадочная и недооцененная структура в истории жизни", - говорит Майкл Дикинсон, профессор биоинженерии и аэронавтики Калифорнийского технологического института имени Эстер М. и Эйба М. Зарема и исполнительный директор по биологии и биологической инженерии. "Если бы у насекомых не развился этот совершенно невероятный сустав, позволяющий им махать крыльями, мир был бы совсем другим, в нем не было бы цветущих растений и знакомых существ, таких как птицы, летучие мыши и, возможно, люди". То, как насекомое управляет этой крошечной, сложной структурой у плодовой мушки Drosophila melanogaster, является предметом нового исследования Дикинсона и его коллег. Используя высокоскоростные камеры и машинное обучение, лаборатория Дикинсона собрала данные о десятках тысяч взмахов крыльев мух и создала карту того, как мышцы мух управляют движением шарнира крыла для создания гибких аэродинамических маневров в полете.
Шарнир крыла мухи содержит 12 управляющих мышц, с каждой из которых связано по одному нейрону. Для сравнения, хотя колибри обладает такой же маневренностью, как и муха, для выполнения подобных маневров в полете она использует тысячи двигательных нейронов. "Мы не хотели просто предсказать движение крыла; мы хотели знать роль отдельных мышц", - говорит Йохан Мелис (Johan Melis, 23 года), первый автор исследования. "Мы хотели связать биомеханику шарнира крыла с нейронными цепями, которые им управляют". Во-первых, команда создала генетически модифицированного D. melanogaster, у которого мышцы, управляющие шарниром крыла, при активации светились бы флуоресцентным светом. Затем исследователи поместили мух в камеру с тремя высокоскоростными камерами, способными снимать 15 000 кадров в секунду, чтобы измерить движение крыльев, и микроскопом, чтобы обнаружить флуоресцентную активацию шарнирных мышц крыла мухи. Собрав более 80 000 взмахов крыльев, команда применила методы машинного обучения для обработки большого объема данных и создания карты того, как 12 крошечных управляющих мышц взаимодействуют друг с другом, чтобы точно регулировать движение крыла.
Предыдущие компьютерные модели полета мухи просто описывали характер движения крыла. Новая модель, напротив, включает в себя то, как управляющие мышцы изменяют механику шарнира крыла, вызывая движение крыла. В ходе дальнейшей работы команда намерена создать подробную физическую модель, которая объединит биомеханику шарнира с аэродинамикой крыльев и базовыми нейронными цепями в мозге мухи. Исследователи также планируют собрать данные о других видах летающих насекомых, таких как комары и пчелы, чтобы понять, как эволюционировали структуры крыльев, позволяющие осуществлять сложные полеты. Конечная цель - понять нейробиологическую связь между мозгом мухи и движением ее крыльев. "Шарнир крыла – это всего лишь аппаратное обеспечение; настоящей страстью нашей лаборатории было взаимодействие мозга и тела", - говорит Дикинсон. "Мы хотим понять взаимосвязь между биомеханикой и нейробиологией. Очень редко в ходе эволюции у животных была одна очень успешная форма передвижения — ходьба — и просто добавлялась другая - полет. Это означает, что мозг насекомых должен иметь все необходимые схемы для адаптации к совершенно другим способам передвижения".
