Många av oss skulle älska superkraften att flyga, och av goda skäl:Flyg erbjuder en avgörande evolutionär fördel. Att flyga gör det möjligt för ett djur att snabbt resa stora avstånd, på jakt efter mat och nya livsmiljöer, samtidigt som det förbrukar mycket mindre energi än att gå. Genom flykt koloniserade insekter planeten och främjade den massiva diversifieringen av blommande växter genom att fungera som effektiva pollinatörer. De möjliggjorde också utvecklingen av andra varelser som reptiler, fåglar och däggdjur genom att fungera som gott om mat.
Flyg har utvecklats fyra gånger i historien om livet på jorden:i fåglar, fladdermöss, pterosaurier och insekter. De första tre grupperna av djur utvecklade sina vingar från armar, vilket gjorde dessa vingar enkla att förstå eftersom andra liknande djur har liknande ben och muskulatur. Insektsvingar har dock inga muskler eller nerver. De styrs istället av muskler placerade inuti kroppen som driver ett system av marionettliknande remskivor i ett komplext gångjärn vid basen av vingen.
"Gångjärnet med flygvinge är kanske den mest mystiska och underskattade strukturen i livets historia", säger Michael Dickinson, Caltechs Esther M. och Abe M. Zarem professor i bioteknik och flygteknik, och verkställande chef för biologi och biologisk ingenjörskonst. "Om insekter inte hade utvecklat denna mycket osannolika led för att flaxa med sina vingar, skulle världen vara en helt annan plats, frånvarande av blommande växter och välbekanta varelser som fåglar, fladdermöss - och förmodligen människor."
Hur en insekt kontrollerar denna lilla, intrikata struktur i fruktflugan Drosophila melanogaster är föremål för en ny studie av Dickinson och hans kollegor. Med hjälp av höghastighetskameror och maskininlärning samlade Dickinsons labb in data om tiotusentals flugvingslag och skapade en karta över hur flugmusklerna föredrar vinggångjärnets rörelser för att skapa smidiga aerodynamiska flygmanövrar.
Studien publicerades i tidskriften Nature den 17 april.
En flugas vinggångjärn innehåller 12 kontrollmuskler, med en neuron kopplad till varje. För sammanhanget, medan en kolibri har samma manövrerbarhet som en fluga, använder den tusentals motorneuroner för att utföra liknande flygmanövrar.
"Vi ville inte bara förutsäga vingrörelserna, vi ville veta vilken roll de individuella musklerna har", säger Johan Melis (Ph.D. '23), studiens första författare. "Vi ville knyta ihop biomekaniken i vinggångjärnet till de neurala kretsarna som styr det."
Först skapade teamet genetiskt modifierad D. melanogaster där musklerna som kontrollerar vinggångjärnet lyser med fluorescerande ljus när de aktiveras. Forskarna placerade sedan flugorna i en kammare med tre höghastighetskameror som kan fånga 15 000 bilder per sekund för att mäta vingrörelser, och ett mikroskop för att upptäcka den fluorescerande aktiveringen av flugans vingledsmuskler.
Efter att ha samlat in mer än 80 000 vingslag, tillämpade teamet maskininlärningstekniker för att bearbeta den stora mängden data och generera en karta över hur de 12 små kontrollmusklerna samverkar för att exakt reglera vingrörelser. Tidigare datormodeller av flugflyg beskrev helt enkelt mönstret för vingrörelser. Den nya modellen, däremot, innehåller hur kontrollmusklerna ändrar mekaniken i vinggångjärnet, vilket ger vingrörelser.
I uppföljningsarbetet strävar teamet efter att skapa en detaljerad fysikbaserad modell som införlivar gångjärnets biomekanik med vingarnas aerodynamik och den underliggande neurala kretsen i flugans hjärna. Forskarna planerar också att samla in data från andra arter av flygande insekter, som myggor och bin, för att förstå hur vingstrukturer utvecklades för att tillåta sofistikerade flygbeteenden.
Det slutliga målet är att förstå det neurobiologiska sambandet mellan en flugs hjärna och vingarnas rörelser. "Vinggångjärnet är bara hårdvaran; den verkliga passionen i vårt labb har varit gränssnittet mellan hjärna och kropp", säger Dickinson.
"Vi vill förstå kretsloppet mellan biomekaniken och neurobiologin. Väldigt få gånger i evolutionen har ett djur haft en mycket framgångsrik form av förflyttning - promenader - och helt enkelt lagt till en annan - flygande. Detta betyder att insekternas hjärnor måste ha allt kretsen för att reglera till helt andra sätt att förflytta sig."
Mer information: Johan M. Melis et al, Maskininlärning avslöjar kontrollmekaniken hos ett insektsvingjärn, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07293-4
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av California Institute of Technology
