Мухи напротив камеры

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Почему пищит комар? Потому что он машет крылышками с бешеной скоростью около 600 взмахов в секунду. Муха — не такая отвратительная пискля, у нее скорость движения крыльев почти вдове меньше, потому и звук ниже. Про то, как формируется звук за счет колебания воздуха от крыльев, мы знаем почти все. А вот о том, как система мышц и суставов насекомого заставляет крылышки махать, — почти ничего.

Насекомые намного старше человека, они появились на Земле более 300 миллионов лет назад. Во всяком случае, именно так палеонтологи датируют самые древние окаменелостям крылатых насекомых. За столь долгий путь, который неизбежно корректировала и шлифовала эволюция, летательный аппарат насекомых наверняка был доведен до совершенства.

Очень хотелось бы рассмотреть это совершенство во всех деталях, понять, как взаимодействуют мышцы, суставы и тело насекомого. Но как это сделать? Летящую муху в микроскоп ведь не рассмотришь. И как рассмотреть работающие мышцы? Да и скорость взмаха крыльями не оставляет шансов снять кино.

Однако наука тем и хороша, что, добывая знания, она постоянно удобряет почву для создания новых и более совершенных инструментов исследования. В результате рассмотреть летательный аппарат мушки дрозофилы в процессе его работы удалось.

Исследователи из Калифорнийского технологического института рассматривали работу крыльев мушки Drosophila melanogaster, используя три высокоскоростные камеры. Они снимали кино со скоростью 7500 кадров в секунду (!) о 82 полетах, во время которых удалось зафиксировать 485 воздушных маневров. Сама мушка была закреплена на кончике тончайшего подвижного провода, который не давал ей улететь из зоны видимости камеры.

Во время 72219 изученных взмахов крыльев исследователи наблюдали активность 12 мышц насекомых во взаимодействии с четырьмя суставными косточками, называемыми склеритами, которые соединяют тело с крылом, и шарнирным суставом. Как же удалось сделать мышцы мушки видимыми? С помощью генетической модификации.

В эксперименте участвовали генетически модифицированные росянки, у которых перенос ионов кальция в движущихся мышцах можно было наблюдать благодаря флуоресцентным белкам. Движение мышц фиксировала другая специальная камера.

В результате во время каждого маневра полета исследователи могли одновременно наблюдать за движением крыльев и суставных косточек, а также за мышечной активностью. Проанализировать весь массив данных помог искусственный интеллект, который выявил соответствующие паттерны активности суставов и мышц для каждого маневра.

Оказалось, что большинство мышц отвечают за выравнивание крыльев. Другие отдельные мышцы, помимо деформаций тела насекомого, обеспечивали относительно мощные удары крыльев вперед и назад (Nature).

«Ну и что?» — спросите вы. Во-первых, это история про изощренный научный эксперимент, который сам по себе — высочайшее достижение. А во-вторых, полученное знание пригодится при изготовлении летающих роботов. Дойдет дело и до них.