Wetenschap
Hoe insecten hun vleugels beheersen:de mysterieuze mechanica van insectenvluchten
Velen van ons zouden dol zijn op de superkracht om te vliegen, en met goede reden:vliegen biedt een cruciaal evolutionair voordeel. Door te vliegen kan een dier snel grote afstanden afleggen, op zoek naar voedsel en nieuwe leefgebieden, terwijl het veel minder energie verbruikt dan lopen. Door te vliegen koloniseerden insecten de planeet en bevorderden ze de enorme diversificatie van bloeiende planten door als efficiënte bestuivers op te treden. Ze maakten ook de evolutie van andere wezens zoals reptielen, vogels en zoogdieren mogelijk door als ruime voedselvoorziening te dienen.
Het vliegen is in de geschiedenis van het leven op aarde vier keer geëvolueerd:bij vogels, vleermuizen, pterosauriërs en insecten. De eerste drie groepen dieren ontwikkelden hun vleugels uit armen, waardoor deze vleugels eenvoudig te begrijpen waren, aangezien andere soortgelijke dieren vergelijkbare botten en spieren hebben. Insectenvleugels hebben echter geen spieren of zenuwen. In plaats daarvan worden ze bestuurd door spieren in het lichaam die een systeem van marionetachtige katrollen bedienen binnen een complex scharnier aan de basis van de vleugel.
"Het vliegvleugelscharnier is misschien wel de meest mysterieuze en ondergewaardeerde structuur in de geschiedenis van het leven", zegt Michael Dickinson, Caltech's Esther M. en Abe M. Zarem hoogleraar bio-engineering en luchtvaart, en uitvoerend functionaris voor biologie en biologische engineering. "Als insecten dit zeer onwaarschijnlijke gewricht niet hadden ontwikkeld om met hun vleugels te klappen, zou de wereld er heel anders uitzien, zonder bloeiende planten en bekende wezens zoals vogels, vleermuizen – en waarschijnlijk mensen."
Hoe een insect deze kleine, ingewikkelde structuur in de fruitvlieg Drosophila melanogaster controleert, is het onderwerp van een nieuwe studie door Dickinson en zijn collega's. Met behulp van hogesnelheidscamera's en machinaal leren verzamelde het laboratorium van Dickinson gegevens over tienduizenden vliegvleugelslagen en creëerde een kaart van hoe vliegspieren de beweging van het vleugelscharnier als poppenspeler gebruiken om behendige aerodynamische vliegmanoeuvres te creëren.
Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature op 17 april.
Het vleugelscharnier van een vlieg bevat twaalf controlespieren, met elk één neuron verbonden. Ter context:hoewel een kolibrie dezelfde manoeuvreerbaarheid heeft als een vlieg, gebruikt hij duizenden motorneuronen om soortgelijke vliegmanoeuvres uit te voeren.
"We wilden niet alleen de vleugelbeweging voorspellen; we wilden de rol van de individuele spieren kennen", zegt Johan Melis (Ph.D. '23), de eerste auteur van het onderzoek. "We wilden de biomechanica van het vleugelscharnier verbinden met de neurale circuits die het besturen."
Ten eerste creëerde het team een genetisch gemanipuleerde D. melanogaster waarbij de spieren die het vleugelscharnier besturen, zouden gloeien met fluorescerend licht wanneer ze werden geactiveerd. De onderzoekers plaatsten de vliegen vervolgens in een kamer met drie hogesnelheidscamera's die 15.000 frames per seconde konden vastleggen om de vleugelbeweging te meten, en een microscoop om de fluorescerende activering van de vleugelscharnierspieren van de vlieg te detecteren.
Na het verzamelen van meer dan 80.000 vleugelslagen paste het team machinale leertechnieken toe om de grote hoeveelheid gegevens te verwerken en een kaart te genereren van hoe de twaalf kleine controlespieren samenwerken om de vleugelbeweging nauwkeurig te reguleren. Eerdere computermodellen van vliegvluchten beschreven eenvoudigweg het patroon van vleugelbeweging. Het nieuwe model daarentegen integreert hoe de controlespieren de mechanica van het vleugelscharnier veranderen, waardoor vleugelbeweging ontstaat.
In vervolgwerk wil het team een gedetailleerd, op fysica gebaseerd model creëren dat de biomechanica van het scharnier integreert met de aerodynamica van de vleugels en de onderliggende neurale circuits in de hersenen van de vlieg. De onderzoekers zijn ook van plan gegevens te verzamelen van andere soorten vliegende insecten, zoals muggen en bijen, om te begrijpen hoe vleugelstructuren zijn geëvolueerd om geavanceerd vlieggedrag mogelijk te maken.
Het uiteindelijke doel is om de neurobiologische verbinding tussen de hersenen van een vlieg en de beweging van zijn vleugels te begrijpen. "Het vleugelscharnier is slechts de hardware; de echte passie in ons laboratorium is de interface tussen brein en lichaam", zegt Dickinson.
‘We willen het circuit tussen de biomechanica en de neurobiologie begrijpen. Zeer zelden in de evolutie heeft een dier één zeer succesvolle vorm van voortbeweging gehad – lopen – en daar eenvoudigweg nog een aan toegevoegd:vliegen. Dit betekent dat de hersenen van insecten alle mogelijkheden moeten hebben om zich voort te bewegen. het circuit om te regelen naar totaal verschillende manieren van bewegen."