Szybkie obrazowanie i sztuczna inteligencja pomagają nam zrozumieć, jak działają skrzydła owadów

Około 350 milionów lat temu na naszej planecie wyewoluowały pierwsze latające stworzenia. Nadal są w pobliżu, a niektóre z nich nadal denerwują nas swoim brzęczeniem. Podczas gdy naukowcy klasyfikują te stworzenia jako skrzydlate owady, reszta świata nazywa je po prostu skrzydlatymi owadami.

Wiele aspektów biologii owadów, zwłaszcza lot, pozostaje dla naukowców tajemnicą. Pierwszym z nich jest po prostu sposób poruszania skrzydłami. Staw skrzydłowy owada to wyspecjalizowany staw, który łączy skrzydła owada z jego ciałem. Składają się z pięciu połączonych ze sobą struktur przypominających arkusze zwanych sklerytami. Kiedy te płytki są poruszane przez leżące pod nimi mięśnie, skrzydła owada trzepoczą.

Do tej pory naukowcom trudno było zrozumieć biomechanikę rządzącą ruchem twardówki, nawet przy użyciu zaawansowanych technik obrazowania. „Twardówka w stawie skrzydłowym jest tak mała i porusza się tak szybko, że jej mechaniczne działanie w locie nie zostało dokładnie uchwycone pomimo wysiłków przy użyciu obrazowania stroboskopowego, szybkiej wideografii i tomografii rentgenowskiej” – powiedział Michael Dickinson, profesor Zarem Biologii i Bioinżynierii w Instytucie California Tech (Caltech), powiedział Ars Technica.

W rezultacie naukowcy nie są w stanie dokładnie wyobrazić sobie, co na małą skalę dzieje się w stawach skrzydeł podczas lotu, co uniemożliwia im szczegółowe badanie lotu owadów. Jednak nowe badanie przeprowadzone przez Dickinsona i jego zespół w końcu ujawniło działanie twardówki i zawiasów skrzydeł owada. Uchwycili ruch skrzydeł muszek owocowych (Muszka owocowa czarnobrzuchy) przeanalizowali 72 000 zarejestrowanych uderzeń skrzydeł za pomocą sieci neuronowej, aby rozszyfrować rolę, jaką poszczególne skleryty odgrywają w kształtowaniu ruchu skrzydeł owadów.

Poznaj szczegóły skrzydła owada

Biomechanika rządząca lotem owadów jest zupełnie inna niż u ptaków i nietoperzy. Dzieje się tak dlatego, że skrzydła owadów nie rozwinęły się z kończyn. „W przypadku ptaków, nietoperzy i pterozaurów wiemy dokładnie, skąd wzięły się skrzydła, ponieważ wszystkie te zwierzęta latają za pomocą przednich kończyn. Jeśli chodzi o owady, to jest zupełnie inaczej istoty o nogach i zachowały wszystkie nogi”. Jednak cała szóstka dodała trzepoczące wyrostki po grzbietowej stronie ciała i nie wiadomo, skąd wzięły się te skrzydła.

Niektórzy badacze sugerują, że skrzydła owadów pochodzą od Wyrostki przypominające skrzela Występuje u starożytnych stawonogów wodnych. Inni uważają, że skrzydła pochodzą od „Goździki„Specjalny narośl znaleziona na nogach starożytnych skorupiaków, które były przodkami owadów. Ta debata wciąż trwa, więc jej ewolucja nie może nam wiele powiedzieć o funkcjonowaniu zawiasów i twardówki”.

Zrozumienie mechaniki stawonogów ma kluczowe znaczenie, ponieważ to właśnie sprawia, że ​​owady są tak skutecznymi stworzeniami latającymi. Umożliwia im latanie z niesamowitą prędkością jak na wielkość ich ciała (niektóre owady potrafią latać z prędkością 53 mil na godzinę) oraz doskonałą zwrotność i stabilność w locie.

„Staw skrzydeł owada jest prawdopodobnie jedną z najbardziej wyrafinowanych i ewolucyjnie ważnych struktur szkieletowych w świecie przyrody” – twierdzą autorzy badania.

Jednak zobrazowanie aktywności czterech z pięciu sklerytów tworzących zawias było niemożliwe ze względu na jego rozmiar i prędkość, z jaką się porusza. Aby pokonać to wyzwanie, Dickinson i jego zespół zastosowali podejście multidyscyplinarne. Zaprojektowali urządzenie wyposażone w trzy szybkie kamery, które rejestrują aktywność uwiązanych muszek owocowych z szybkością 15 000 klatek na sekundę za pomocą światła podczerwonego.

Wykorzystali także białko wrażliwe na wapń do śledzenia zmian w aktywności mięśni prowadzących owady podczas lotu (wapń pomaga stymulować skurcze mięśni). „Zarejestrowaliśmy łącznie 485 sekwencji lotów 82 much. Po wykluczeniu podzbioru uderzeń skrzydeł z sekwencji, w której mucha przestała latać lub leciała z nienormalnie niską częstotliwością uderzeń skrzydeł, otrzymaliśmy ostateczny zbiór danych obejmujący 72 219 uderzeń skrzydłami. Uwaga.

Następnie przeszkolili konwolucyjną sieć neuronową opartą na uczeniu maszynowym (CNN), wykorzystując 85% zbioru danych. „Wykorzystaliśmy model CNN do zbadania transformacji między aktywnością mięśni a ruchem skrzydeł, wykonując zestaw wirtualnych manipulacji i wykorzystując sieć do przeprowadzania eksperymentów, które byłyby trudne do przeprowadzenia na rzeczywistych muchach” – wyjaśnili.

Oprócz sieci neuronowej opracowano także sieć neuronową kodera i dekodera (architekturę stosowaną w uczeniu maszynowym) i przekazano do niej dane związane z prowadzeniem aktywności mięśni. Podczas gdy model CNN może przewidzieć ruch skrzydeł, koder/dekoder może przewidzieć działanie poszczególnych sztywnych mięśni podczas ruchu skrzydeł. Teraz czas sprawdzić, czy przewidywane przez nich dane są dokładne.