L’imaging ad alta velocità e l’intelligenza artificiale ci stanno aiutando a capire come funzionano le ali degli insetti

Circa 350 milioni di anni fa, il nostro pianeta fu testimone dell'evoluzione delle prime creature volanti. Sono ancora in giro e alcuni di loro continuano a infastidirci con il loro ronzio. Mentre gli scienziati classificano queste creature come insetti alati, il resto del mondo li chiama semplicemente insetti alati.

Ci sono molti aspetti della biologia degli insetti, in particolare il volo, che rimangono un mistero per gli scienziati. Il primo è semplicemente il modo in cui muovono le ali. L'articolazione dell'ala dell'insetto è un'articolazione specializzata che collega le ali di un insetto al suo corpo. Sono composti da cinque strutture simili a fogli interconnesse chiamate scleriti. Quando queste placche vengono mosse dai muscoli sottostanti, le ali dell'insetto si muovono.

Fino ad ora, è stato difficile per gli scienziati comprendere la biomeccanica che governa il movimento sclerale, anche utilizzando tecniche di imaging avanzate. “La sclera all'interno dell'articolazione dell'ala è così piccola e si muove così rapidamente che la sua azione meccanica in volo non è stata catturata accuratamente nonostante gli sforzi effettuati utilizzando l'imaging stroboscopico, la videografia ad alta velocità e la tomografia a raggi X”, ha affermato Michael Dickinson, professore di Zarem Biologia e Bioingegneria presso l'Istituto California Tech (Caltech), per Ars Technica.

Di conseguenza, gli scienziati non sono in grado di visualizzare esattamente ciò che accade su piccola scala all’interno dell’articolazione dell’ala mentre volano, impedendo loro di studiare in dettaglio il volo degli insetti. Tuttavia, un nuovo studio condotto da Dickinson e dal suo team ha finalmente rivelato il funzionamento della sclera e dei cardini delle ali di un insetto. Hanno catturato il movimento delle ali dei moscerini della frutta (Mosca della frutta dal ventre nero) hanno analizzato 72.000 battiti d'ala registrati utilizzando una rete neurale per decodificare il ruolo che i singoli scleriti svolgono nel modellare il movimento delle ali degli insetti.

Comprendere i dettagli dell'ala di un insetto

La biomeccanica che governa il volo degli insetti è molto diversa da quella degli uccelli e dei pipistrelli. Questo perché le ali degli insetti non si sono sviluppate dagli arti. “Nel caso degli uccelli, dei pipistrelli e degli pterosauri, sappiamo esattamente da dove provengono le ali dal punto di vista evolutivo perché tutti questi animali volano con gli arti anteriori. Per quanto riguarda gli insetti, si sono evoluti da sei-. creature dotate di zampe e hanno conservato tutte le gambe.” Tutti e sei, tuttavia, hanno aggiunto appendici svolazzanti al lato dorsale dei loro corpi, e non si sa da dove provengano quelle ali.

Alcuni ricercatori suggeriscono che provenissero le ali degli insetti Appendici branchiali Trovato in antichi artropodi acquatici. Altri credono che le ali abbiano avuto origine da “Chiodi di garofano“Una crescita speciale trovata sulle zampe di antichi crostacei che erano gli antenati degli insetti. Questo dibattito è ancora in corso, quindi la sua evoluzione non può dirci molto su come funzionano la cerniera e la sclera.”

Comprendere i meccanismi degli artropodi è fondamentale perché è ciò che rende gli insetti creature volanti così efficaci. Permette loro di volare a velocità sorprendenti per le loro dimensioni corporee (alcuni insetti possono volare a 33 miglia all'ora) e di mostrare grande manovrabilità e stabilità in volo.

“L’articolazione dell’ala degli insetti è senza dubbio tra le strutture scheletriche più sofisticate ed evolutivamente importanti nel mondo naturale”, secondo gli autori dello studio.

Tuttavia, immaginare l’attività di quattro dei cinque scleriti che compongono la cerniera era impossibile a causa delle sue dimensioni e della velocità con cui si muove. Dickinson e il suo team hanno utilizzato un approccio multidisciplinare per superare questa sfida. Hanno progettato un dispositivo dotato di tre telecamere ad alta velocità che registrano l'attività dei moscerini della frutta legati a una velocità di 15.000 fotogrammi al secondo utilizzando la luce infrarossa.

Hanno anche utilizzato una proteina sensibile al calcio per monitorare i cambiamenti nell’attività dei muscoli guida degli insetti mentre volavano (il calcio aiuta a stimolare le contrazioni muscolari). “Abbiamo registrato un totale di 485 sequenze di volo di 82 mosche. Dopo aver escluso un sottoinsieme di battiti d’ali dalla sequenza quando la mosca smetteva di volare o volava con una frequenza di battiti d’ala anormalmente bassa, abbiamo ottenuto un set di dati finale di 72.219 battiti d’ala. NB.

Successivamente, hanno addestrato una rete neurale convoluzionale (CNN) basata sull’apprendimento automatico utilizzando l’85% del set di dati. “Abbiamo utilizzato un modello della CNN per studiare la trasformazione tra l'attività muscolare e il movimento delle ali eseguendo una serie di manipolazioni virtuali, sfruttando la rete per eseguire esperimenti che sarebbero difficili da eseguire su mosche reali”, hanno spiegato.

Oltre alla rete neurale, hanno sviluppato anche una rete neurale codificatore-decodificatore (un'architettura utilizzata nell'apprendimento automatico) e le hanno fornito dati relativi alla guida dell'attività muscolare. Mentre il modello CNN può prevedere il movimento delle ali, il codificatore/decodificatore può prevedere l’azione dei singoli muscoli rigidi durante il movimento delle ali. Ora è il momento di verificare se i dati previsti sono accurati.