昆虫如何控制翅膀昆虫飞行的神秘机制

我们中的许多人都喜欢飞行的超能力，并且有充分的理由，飞行提供了至关重要的进化优势。飞行使动物能够快速长途旅行，寻找食物和新的栖息地，同时消耗的能量远少于步行。通过飞行，昆虫在地球上定居，并通过充当有效的传粉媒介促进了开花植物的大规模多样化。它们还通过提供充足的食物促进了爬行动物、鸟类和哺乳动物等其他生物的进化。

在地球生命的历史上，飞行进化了四次：鸟类、蝙蝠、翼龙和昆虫。前三类动物的翅膀是从手臂进化而来的，这使得这些翅膀很容易理解，因为其他类似的动物也有类似的骨骼和肌肉组织。然而，昆虫的翅膀没有肌肉或神经。相反，它们是由位于身体内部的肌肉控制的，这些肌肉在机翼底部的复杂铰链内操纵木偶般的滑轮系统。

“飞翼铰链可能是生命史上最神秘、最不受重视的结构，” 加州理工学院生物工程和航空学教授、生物学和生物工程执行官迈克尔·迪金森 ( Michael Dickinson)说。 “如果昆虫没有进化出这种非常不可能的关节来拍打翅膀，世界将是一个非常不同的地方，没有开花植物和熟悉的生物，如鸟类、蝙蝠——可能还有人类。”

迪金森和他的同事进行的一项新研究的主题是昆虫如何控制果蝇果蝇这种微小而复杂的结构 。迪金森的实验室使用高速摄像机和机器学习，收集了数以万计的苍蝇翅膀拍动的数据，并创建了一张地图，显示苍蝇肌肉如何操纵机翼铰链的运动，以创造敏捷的空气动力学飞行动作。

发表在《自然》杂志上的一篇论文描述了这项研究 。

苍蝇的翅膀铰链包含 12 个控制肌肉，每个肌肉都连接一个神经元。就上下文而言，虽然蜂鸟具有与苍蝇相同的机动性，但它使用数千个运动神经元来执行类似的飞行动作。

“我们不想仅仅预测机翼运动;我们想预测机翼的运动。”我们想知道各个肌肉的作用，”该研究的第一作者 Johan Melis(博士 '23)说道。 “我们希望将机翼铰链的生物力学与控制它的神经回路联系起来。”

首先，研究小组创造了基因工程 黑腹果蝇 ，其中控制翅膀铰链的肌肉在激活时会发出荧光。然后，研究人员将果蝇放入一个装有三台高速摄像机(每秒可捕捉 15,000 帧以测量翅膀运动)的房间中，以及一台显微镜来检测果蝇翅膀铰链肌肉的荧光激活。在收集了超过 80,000 次翅膀拍动后，该团队应用机器学习技术来处理大量数据，并生成一张地图，显示 12 块微小的控制肌肉如何共同作用以精确调节翅膀运动。以前的苍蝇飞行计算机模型只是简单地描述了机翼运动的模式。相比之下，新模型结合了控制肌肉如何改变机翼铰链的力学，从而产生机翼运动。

在后续工作中，该团队的目标是创建一个详细的基于物理的模型，将铰链的生物力学、机翼的空气动力学以及苍蝇大脑内的潜在神经回路结合起来。研究人员还计划收集其他种类的飞行昆虫(如蚊子和蜜蜂)的数据，以了解翅膀结构如何进化以实现复杂的飞行行为。

最终目标是了解苍蝇大脑与其翅膀运动之间的神经生物学联系。 “机翼铰链只是硬件;我们实验室真正的热情是大脑与身体的界面，”迪金森说。 “我们想了解生物力学和神经生物学之间的电路。在进化过程中，很少有动物拥有一种非常成功的运动方式(步行)，并且简单地 添加了另一种运动方式(飞行)。这意味着昆虫的大脑必须拥有所有电路来调节完全不同的移动方式。”

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