Imaginile de mare viteză și inteligența artificială ne ajută să înțelegem cum funcționează aripile insectelor

Cu aproximativ 350 de milioane de ani în urmă, planeta noastră a fost martoră la evoluția primelor creaturi zburătoare. Sunt încă prin preajmă, iar unii dintre ei continuă să ne enerveze cu bâzâitul lor. În timp ce oamenii de știință au clasificat aceste creaturi drept pterigote, restul lumii le numește pur și simplu insecte înaripate.

Există multe aspecte ale biologiei insectelor, mai ales zborul lor, care rămân un mister pentru oamenii de știință. Una este pur și simplu modul în care își mișcă aripile. Balamaua aripii de insecte este o articulație specializată care conectează aripile unei insecte cu corpul acesteia. Este compus din cinci structuri asemănătoare plăcilor interconectate numite sclerite. Când aceste plăci sunt deplasate de mușchii subiacente, face ca aripile insectelor să bată.

Până acum, a fost dificil pentru oamenii de știință să înțeleagă biomecanica care guvernează mișcarea scleriților chiar și folosind tehnologii avansate de imagistică. „Scleriții din balamaua aripii sunt atât de mici și se mișcă atât de repede încât funcționarea lor mecanică în timpul zborului nu a fost surprinsă cu acuratețe, în ciuda eforturilor de utilizare a fotografiei stroboscopice, a videografiei de mare viteză și a tomografiei cu raze X”, Michael Dickinson, profesor de biologie Zarem. și bioinginerie la Institutul de Tehnologie din California (Caltech), a declarat Ars Technica.

Drept urmare, oamenii de știință nu sunt în măsură să vizualizeze exact ce se întâmplă la micro-scara din balamaua aripii în timp ce zboară, împiedicându-i să studieze în detaliu zborul insectelor. Cu toate acestea, un nou studiu realizat de Dickinson și echipa sa a dezvăluit în sfârșit funcționarea scleriților și balamaua aripii insectelor. ei a captat mișcarea aripii de muște de fructe (Drosophila melanogaster) analizând 72.000 de bătăi de aripi înregistrate folosind o rețea neuronală pentru a decoda rolul pe care l-au jucat scleriții individuali în modelarea mișcării aripilor insectelor.

Înțelegerea balamalei aripii insectelor

Biomecanica care guvernează zborul insectelor este destul de diferită de cea a păsări și lilieci. Acest lucru se datorează faptului că aripile la insecte nu au evoluat din membre. „În cazul păsărilor, liliecilor și pterozaurilor, știm exact de unde au venit aripile din punct de vedere evolutiv, deoarece toate aceste animale zboară cu membrele anterioare. Practic își folosesc brațele pentru a zbura. La insecte, este o cu totul altă poveste. Au evoluat din organisme cu șase picioare și și-au păstrat toate cele șase picioare. Cu toate acestea, ei au adăugat apendice care bat pe partea dorsală a corpului lor și este un mister de unde provin acele aripi”, a explicat Dickinson.

Unii cercetători sugerează că aripile de insecte provin din apendice asemănătoare branhiilor prezente la artropodele acvatice antice. Alții susțin că aripile provin din „lobii,” excrescente speciale găsite pe picioarele crustaceelor ​​antice, care erau strămoșii insectelor. Această dezbatere este încă în desfășurare, așa că evoluția ei nu ne poate spune prea multe despre cum funcționează balamaua și scleriții.

Înțelegerea mecanicii balamalei este crucială, deoarece aceasta este ceea ce face insectele creaturi zburătoare eficiente. Le permite să zboare la viteze impresionante în raport cu dimensiunile corpului lor (unele insecte pot zbura la 33 mph) și să demonstreze o mare manevrabilitate și stabilitate în timpul zborului.

„Balamaua aripii de insecte este, fără îndoială, printre cele mai sofisticate și mai importante structuri ale scheletului din lumea naturală”, conform autorilor studiului.

Cu toate acestea, imaginea activității a patru dintre cele cinci scleriți care formează balama a fost imposibilă datorită dimensiunii lor și vitezei cu care se mișcă. Dickinson și echipa sa au folosit o abordare multidisciplinară pentru a depăși această provocare. Ei au proiectat un aparat echipat cu trei camere de mare viteză care înregistrau activitatea muștelor de fructe legate la 15.000 de cadre pe secundă folosind lumină infraroșie.

De asemenea, au folosit o proteină sensibilă la calciu pentru a urmări modificările activității mușchilor de direcție ai insectelor în timp ce zburau (calciul ajută la declanșarea contracțiilor musculare). „Am înregistrat un total de 485 de secvențe de zbor de la 82 de muște. După excluderea unui subset de bătăi ale aripilor din secvențe când musca fie a încetat să zboare, fie a zburat la o frecvență anormal de scăzută, am obținut un set de date final de 72.219 bătăi de aripi”, cercetătorii. Notă.

Apoi, au antrenat o rețea neuronală convoluțională (CNN) bazată pe învățare automată, folosind 85% din setul de date. „Am folosit modelul CNN pentru a investiga transformarea dintre activitatea musculară și mișcarea aripilor prin efectuarea unui set de manipulări virtuale, exploatând rețeaua pentru a executa experimente care ar fi dificil de efectuat pe muștele reale”, au explicat ei.

Pe lângă rețeaua neuronală, ei au dezvoltat și o rețea neuronală codificator-decodor (o arhitectură utilizată în învățarea automată) și i-au furnizat date legate de activitatea mușchilor de direcție. În timp ce modelul CNN ar putea prezice mișcarea aripilor, codificatorul/decodorul ar putea prezice acțiunea mușchilor scleriti individuali în timpul mișcării aripilor. Acum, era timpul să verificăm dacă datele pe care le-au prezis erau corecte.