Η απεικόνιση υψηλής ταχύτητας και η τεχνητή νοημοσύνη μας βοηθούν να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν τα φτερά των εντόμων

Πριν από περίπου 350 εκατομμύρια χρόνια, ο πλανήτης μας γνώρισε την εξέλιξη των πρώτων ιπτάμενων πλασμάτων. Είναι ακόμα τριγύρω, και μερικά από αυτά συνεχίζουν να μας ενοχλούν με το βουητό τους. Ενώ οι επιστήμονες ταξινομούν αυτά τα πλάσματα ως έντομα με φτερωτά, ο υπόλοιπος κόσμος τα αποκαλεί απλά φτερωτά έντομα.

Υπάρχουν πολλές πτυχές της βιολογίας των εντόμων, ιδιαίτερα η πτήση, που παραμένουν μυστήριο για τους επιστήμονες. Το πρώτο είναι απλά πώς κινούν τα φτερά τους. Η άρθρωση των φτερών του εντόμου είναι μια εξειδικευμένη άρθρωση που συνδέει τα φτερά ενός εντόμου με το σώμα του. Αποτελούνται από πέντε διασυνδεδεμένες δομές που μοιάζουν με φύλλα που ονομάζονται σκληρίτες. Όταν αυτές οι πλάκες μετακινούνται από τους υποκείμενους μύες, κάνει τα φτερά του εντόμου να χτυπούν.

Μέχρι τώρα, ήταν δύσκολο για τους επιστήμονες να κατανοήσουν την εμβιομηχανική που διέπει την κίνηση του σκληρού χιτώνα ακόμη και χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές απεικόνισης. «Ο σκληρός χιτώνας μέσα στην άρθρωση του πτερυγίου είναι τόσο μικρός και κινείται τόσο γρήγορα που η μηχανική του δράση κατά την πτήση δεν έχει αποτυπωθεί με ακρίβεια παρά τις προσπάθειες που γίνονται με στροβοσκοπική απεικόνιση, βιντεοσκόπηση υψηλής ταχύτητας και τομογραφία ακτίνων Χ», δήλωσε ο Michael Dickinson, καθηγητής Zarem. Βιολογία και Βιομηχανική στο Ινστιτούτο California Tech (Caltech), είπε στην Ars Technica.

Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες δεν είναι σε θέση να οραματιστούν ακριβώς τι συμβαίνει στη μικρή κλίμακα μέσα στην άρθρωση των φτερών καθώς πετούν, εμποδίζοντάς τους να μελετήσουν λεπτομερώς την πτήση των εντόμων. Ωστόσο, μια νέα μελέτη από τον Dickinson και την ομάδα του αποκάλυψε τελικά τη λειτουργία του σκληρού χιτώνα και των μεντεσέδων του φτερού ενός εντόμου. Κατέλαβαν την κίνηση των φτερών των φρουτόμυγων (Μύγα μαύρης κοιλιάς) ανέλυσε 72.000 καταγεγραμμένους χτύπους φτερών χρησιμοποιώντας ένα νευρωνικό δίκτυο για να αποκωδικοποιήσει τον ρόλο που διαδραματίζουν μεμονωμένοι σκληρίτες στη διαμόρφωση της κίνησης των φτερών των εντόμων.

Κατανοήστε τη λεπτομέρεια του φτερού ενός εντόμου

Η εμβιομηχανική που διέπει την πτήση των εντόμων είναι αρκετά διαφορετική από αυτή των πτηνών και των νυχτερίδων. Αυτό συμβαίνει επειδή τα φτερά στα έντομα δεν αναπτύχθηκαν από άκρα. «Στην περίπτωση των πτηνών, των νυχτερίδων και των πτερόσαυρων, ξέρουμε ακριβώς από πού προήλθαν τα φτερά τους, επειδή όλα αυτά τα ζώα πετούν με τα μπροστινά άκρα τους. Όσο για τα έντομα, είναι εντελώς διαφορετικά. Πλάσματα με πόδια και διατήρησαν όλα τα πόδια, ωστόσο, και τα έξι έχουν προσθέσει εξαρτήματα που χτυπάνε στη ραχιαία πλευρά του σώματός τους και είναι άγνωστο από πού προέρχονται αυτά τα φτερά.

Μερικοί ερευνητές προτείνουν ότι τα φτερά των εντόμων προέρχονται από Βαργχοειδή εξαρτήματα Βρέθηκε σε αρχαία υδρόβια αρθρόποδα. Άλλοι πιστεύουν ότι τα φτερά προέρχονται από “Γαρίφαλο“Μια ειδική ανάπτυξη βρέθηκε στα πόδια των αρχαίων καρκινοειδών που ήταν οι πρόγονοι των εντόμων. Αυτή η συζήτηση είναι ακόμη σε εξέλιξη, επομένως η εξέλιξή της δεν μπορεί να μας πει πολλά για το πώς λειτουργούν η άρθρωση και ο σκληρός χιτώνας.”

Η κατανόηση της μηχανικής των αρθρόποδων είναι ζωτικής σημασίας γιατί αυτό είναι που κάνει τα έντομα τόσο αποτελεσματικά ιπτάμενα πλάσματα. Τους δίνει τη δυνατότητα να πετούν με εκπληκτικές ταχύτητες για τα μεγέθη του σώματός τους (μερικά έντομα μπορούν να πετάξουν με 33 μίλια την ώρα) και να επιδεικνύουν μεγάλη ευελιξία και σταθερότητα κατά την πτήση.

«Η άρθρωση των φτερών του εντόμου είναι αναμφισβήτητα μία από τις πιο περίπλοκες και εξελικτικά σημαντικές σκελετικές δομές στον φυσικό κόσμο», σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης.

Ωστόσο, η απεικόνιση της δραστηριότητας τεσσάρων από τους πέντε σκληρίτες που αποτελούν τον μεντεσέ ήταν αδύνατη λόγω του μεγέθους του και των ταχυτήτων με τις οποίες κινείται. Ο Dickinson και η ομάδα του χρησιμοποίησαν μια διεπιστημονική προσέγγιση για να ξεπεράσουν αυτήν την πρόκληση. Σχεδίασαν μια συσκευή εξοπλισμένη με τρεις κάμερες υψηλής ταχύτητας που καταγράφουν τη δραστηριότητα των δεμένων μυγών φρούτων με ρυθμό 15.000 καρέ ανά δευτερόλεπτο χρησιμοποιώντας υπέρυθρο φως.

Χρησιμοποίησαν επίσης μια ευαίσθητη στο ασβέστιο πρωτεΐνη για να παρακολουθούν τις αλλαγές στη δραστηριότητα των μυών καθοδήγησης των εντόμων καθώς πετούσαν (το ασβέστιο βοηθά στην τόνωση των μυϊκών συσπάσεων). «Καταγράψαμε συνολικά 485 ακολουθίες πτήσης από 82 μύγες Αφού εξαιρέσαμε ένα υποσύνολο χτυπημάτων φτερών από την ακολουθία όταν η μύγα σταμάτησε να πετάει ή πέταξε με ασυνήθιστα χαμηλή συχνότητα κτυπήματος φτερών, λάβαμε ένα τελικό σύνολο δεδομένων 72.219 χτυπημάτων φτερών. ΣΗΜ.

Στη συνέχεια, εκπαίδευσαν ένα συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο που βασίζεται σε μηχανική μάθηση (CNN) χρησιμοποιώντας το 85% του συνόλου δεδομένων. «Χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο CNN για να μελετήσουμε τον μετασχηματισμό μεταξύ της μυϊκής δραστηριότητας και της κίνησης των φτερών εκτελώντας ένα σύνολο εικονικών χειρισμών, εκμεταλλευόμενοι το δίκτυο για να εκτελέσουμε πειράματα που θα ήταν δύσκολο να εκτελεστούν σε πραγματικές μύγες», εξήγησαν.

Εκτός από το νευρωνικό δίκτυο, ανέπτυξαν επίσης ένα νευρωνικό δίκτυο κωδικοποιητή-αποκωδικοποιητή (μια αρχιτεκτονική που χρησιμοποιείται στη μηχανική μάθηση) και του τροφοδότησε δεδομένα που σχετίζονται με την καθοδηγητική μυϊκή δραστηριότητα. Ενώ το μοντέλο του CNN μπορεί να προβλέψει την κίνηση των φτερών, ο κωδικοποιητής/αποκωδικοποιητής μπορεί να προβλέψει τη δράση μεμονωμένων άκαμπτων μυών κατά την κίνηση των φτερών. Τώρα, ήρθε η ώρα να ελέγξετε αν τα δεδομένα που προέβλεψαν είναι ακριβή.