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 clasifică aceste creaturi drept insecte înaripate, restul lumii le numește pur și simplu insecte înaripate.

Există multe aspecte ale biologiei insectelor, în special zborul, care rămân un mister pentru oamenii de știință. Primul este pur și simplu cum își mișcă aripile. Articulația aripii de insecte este o articulație specializată care conectează aripile unei insecte de corpul acesteia. Ele sunt compuse din cinci structuri sub formă de foi interconectate numite sclerite. Când aceste plăci sunt mișcate de mușchii subiacente, face ca aripile insectei să bată.

Până acum, oamenilor de știință le-a fost dificil să înțeleagă biomecanica care guvernează mișcarea sclerală chiar și folosind tehnici avansate de imagistică. „Sclera din articulația aripii este atât de mică și se mișcă atât de repede încât acțiunea sa mecanică în zbor nu a fost surprinsă cu acuratețe, în ciuda eforturilor de utilizare a imaginilor stroboscopice, videografii de mare viteză și tomografiei cu raze X”, a spus Michael Dickinson, profesor de Zarem. Biologie și bioinginerie la Institutul California Tech (Caltech), a spus el pentru Ars Technica.

Drept urmare, oamenii de știință nu sunt în măsură să vizualizeze exact ce se întâmplă la scară mică în interiorul articulației aripii în timp ce zboară, împiedicându-i să studieze zborul insectelor în detaliu. Cu toate acestea, un nou studiu realizat de Dickinson și echipa sa a dezvăluit în sfârșit funcționarea sclerei și balamalele aripii unei insecte. Au surprins mișcarea aripilor muștelor de fructe (Muscă de fructe cu burtă neagră) a analizat 72.000 de bătăi de aripi înregistrate folosind o rețea neuronală pentru a decoda rolul pe care scleriții individuali îl joacă în modelarea mișcării aripilor insectelor.

Înțelegeți detaliile aripii unei insecte

Biomecanica care guvernează zborul insectelor este destul de diferită de cea a păsărilor și liliecilor. Acest lucru se datorează faptului că aripile la insecte nu s-au dezvoltat din membre. „În cazul păsărilor, liliecilor și pterozaurilor, știm exact de unde au venit aripile, deoarece toate aceste animale zboară cu membrele anterioare. În ceea ce privește insectele, este complet diferit creaturi cu picioare și au păstrat toate picioarele.” Totuși, toți cei șase au adăugat apendice care bat pe partea dorsală a corpului și nu se știe de unde provin acele aripi.

Unii cercetători sugerează că aripile de insecte provin din Apendice asemănătoare branhiilor Găsit în artropodele acvatice antice. Alții cred că aripile provin din „cuișoare„O creștere specială găsită pe picioarele crustaceelor ​​antice care au fost strămoșii insectelor. Această dezbatere este încă în desfășurare, așa că evoluția ei nu ne poate spune prea multe despre cum funcționează balamaua și sclera.”

Înțelegerea mecanicii artropodelor este crucială, deoarece aceasta este ceea ce face insectele astfel de creaturi zburătoare eficiente. Le permite să zboare la viteze uimitoare pentru dimensiunile corpului lor (unele insecte pot zbura la 33 de mile pe oră) și să arate o mare manevrabilitate și stabilitate în zbor.

„Încheia aripii insectelor este, fără îndoială, printre cele mai sofisticate și mai importante structuri ale scheletului din lumea naturală”, spun autorii studiului.

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

Ei au folosit, de asemenea, o proteină sensibilă la calciu pentru a urmări modificările activității mușchilor de ghidare a insectelor în timp ce zburau (calciul ajută la stimularea contracțiilor musculare). „Am înregistrat un total de 485 de secvențe de zbor din 82 de muște După excluderea unui subset de bătăi de aripi din secvența când musca a încetat să zboare sau a zburat cu o frecvență anormal de scăzută, am obținut un set de date final de 72.219 bătăi de aripi. NB.

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

Pe lângă rețeaua neuronală, ei au dezvoltat și o rețea neuronală de codificator-decodor (o arhitectură utilizată în învățarea automată) și i-au alimentat cu date legate de ghidarea activității musculare. În timp ce modelul CNN poate prezice mișcarea aripilor, codificatorul/decodorul poate prezice acțiunea mușchilor rigizi individuali în timpul mișcării aripilor. Acum, este timpul să verificați dacă datele pe care le-au prezis sunt corecte.