Mnogi od nas bi voleli da supermoć leti, i to sa dobrim razlogom: let nudi ključnu evolucionu prednost. Letenje omogućava životinji da brzo putuje na velike udaljenosti, u potrazi za hranom i novim staništima, trošeći daleko manje energije od hodanja. Kroz let, insekti su kolonizovali planetu i podstakli ogromnu diverzifikaciju cvetnih biljaka delujući kao efikasni oprašivači. Oni su takođe omogućili evoluciju drugih stvorenja poput gmizavaca, ptica i sisara služeći kao obilna zaliha hrane.
Let je evoluirao četiri puta u istoriji života na Zemlji: kod ptica, slepih miševa, pterosaurusa i insekata. Prve tri grupe životinja razvile su svoja krila iz ruku, čineći ova krila jednostavnim za razumevanje jer druge slične životinje imaju slične kosti i muskulaturu. Krila insekata, međutim, nemaju mišiće ili nerve. Umesto toga, njima upravljaju mišići smešteni unutar tela koji upravljaju sistemom remenica sličnih marionetama unutar složene šarke na dnu krila.
„Šarke za leteće krilo su možda najmisterioznija i najnecenjenija struktura u istoriji života“, kaže Majkl Dikinson, profesori bioinženjeringa i aeronautike sa Kalteha, Ester M. i Ejb M. Zarem, i izvršni direktor za biologiju i biološki inženjering. „Da insekti nisu razvili ovaj veoma neverovatan zglob da mašu krilima, svet bi bio sasvim drugačije mesto, bez cvetnih biljaka i poznatih stvorenja poput ptica, slepih miševa — a verovatno i ljudi.
Kako insekt kontroliše ovu sićušnu, zamršenu strukturu u voćnoj mušici Drosophila melanogaster, predmet je nove studije Dikinsona i njegovih kolega. Koristeći kamere velike brzine i mašinsko učenje, Dikinsonova laboratorija je prikupila podatke o desetinama hiljada otkucaja muših krila i napravila mapu kako mišići mušica lutkaru pokreću kretanje šarke krila da bi stvorili agilne aerodinamičke manevre leta.
Studija je objavljena u časopisu Priroda 17. aprila.
Šarka krila muve sadrži 12 kontrolnih mišića, sa po jednim neuronom povezanim sa svakim. Za kontekst, dok kolibri poseduje istu sposobnost manevrisanja kao muva, on koristi hiljade motornih neurona da izvrši slične manevre leta.
„Nismo hteli samo da predvidimo kretanje krila; želeli smo da znamo ulogu pojedinačnih mišića“, kaže Johan Melis (dr. ’23), prvi autor studije. „Želeli smo da povežemo biomehaniku šarke krila sa neuronskim krugovima koji ga kontrolišu.“
Prvo, tim je napravio genetski modifikovanu D. melanogaster u kojoj bi mišići koji kontrolišu šarku krila sijali fluorescentnom svetlošću kada bi se aktivirali. Istraživači su zatim smestili muve u komoru sa tri kamere velike brzine sposobne da snime 15.000 kadrova u sekundi za merenje kretanja krila, i mikroskopom za otkrivanje fluorescentne aktivacije mišića šarke muve.
Nakon što je prikupio više od 80.000 otkucaja krila, tim je primenio tehnike mašinskog učenja da obradi veliku količinu podataka i generiše mapu kako 12 sićušnih kontrolnih mišića deluju zajedno kako bi precizno regulisali kretanje krila. Prethodni kompjuterski modeli leta muva jednostavno su opisali obrazac kretanja krila. Novi model, nasuprot tome, uključuje kako kontrolni mišići menjaju mehaniku šarke krila, proizvodeći kretanje krila.
U nastavku rada, tim ima za cilj da stvori detaljan model zasnovan na fizici koji uključuje biomehaniku šarke sa aerodinamikom krila i osnovnim neuronskim krugovima u mozgu muve. Istraživači takođe planiraju da prikupe podatke od drugih vrsta letećih insekata, kao što su komarci i pčele, da bi razumeli kako su se strukture krila razvile da bi omogućile sofisticirano ponašanje leta.
Krajnji cilj je razumevanje neurobiološke veze između mozga muve i pokreta njenih krila. „Šarka krila je samo hardver; prava strast u našoj laboratoriji je bio interfejs mozak-telo“, kaže Dikinson.
„Želimo da razumemo kola između biomehanike i neurobiologije. Vrlo malo puta u evoluciji je životinja imala jedan veoma uspešan oblik kretanja — hodanje — i jednostavno dodala još jedan — letenje. To znači da mozgovi insekata moraju imati sve kola za regulisanje na potpuno druga sredstva kretanja“.
