Molti di noi adorerebbero il superpotere per volaree, per una buona ragione, Flight offre un vantaggio evolutivo cruciale. Volare consente a un animale di percorrere rapidamente grandi distanze, alla ricerca di cibo e nuovi habitat, consumando molta meno energia rispetto a camminare. Attraverso il volo, gli insetti colonizzarono il pianeta e favorirono la massiccia diversificazione delle piante da fiore agendo come efficienti impollinatori. Hanno anche consentito l’evoluzione di altre creature come rettili, uccelli e mammiferi fornendo cibo in abbondanza.
Il volo si è evoluto quattro volte nella storia della vita sulla Terra: negli uccelli, nei pipistrelli, negli pterosauri e negli insetti. I primi tre gruppi di animali hanno evoluto le loro ali dalle braccia, rendendo queste ali semplici da comprendere poiché altri animali simili hanno ossa e muscolatura analoghe. Le ali degli insetti, tuttavia, non hanno muscoli o nervi. Sono invece controllati da muscoli situati all’interno del corpo che azionano un sistema di pulegge simili a marionette all’interno di una complessa cerniera alla base dell’ala.
“Il cardine dell’ala della mosca è forse la struttura più misteriosa e sottovalutata nella storia della vita”, afferma Michael Dickinson, Esther M. e Abe M. Zarem del Caltech, professori di bioingegneria e aeronautica e funzionario esecutivo per la biologia e l’ingegneria biologica. “Se gli insetti non avessero sviluppato questa improbabile articolazione per battere le ali, il mondo sarebbe un posto molto diverso, privo di piante da fiore e di creature familiari come uccelli, pipistrelli e probabilmente esseri umani”.
Proprio come un insetto controlla questa piccola e intricata struttura nel moscerino della frutta Drosophila melanogaster è oggetto di un nuovo studio di Dickinson e dei suoi colleghi. Utilizzando telecamere ad alta velocità e apprendimento automatico, il laboratorio di Dickinson ha raccolto dati su decine di migliaia di battiti d’ali delle mosche e ha creato una mappa di come i muscoli della mosca manipolano il movimento della cerniera dell’ala per creare agili manovre di volo aerodinamiche.
Lo studio è descritto in un articolo apparso sulla rivista Natura.
Il cardine dell’ala di una mosca contiene 12 muscoli di controllo, con un neurone collegato a ciascuno. Per contestualizzare, sebbene un colibrì possieda la stessa manovrabilità di una mosca, utilizza migliaia di motoneuroni per eseguire manovre di volo simili.
“Non volevamo semplicemente prevedere il movimento delle ali; volevamo conoscere il ruolo dei singoli muscoli”, afferma Johan Melis (PhD ’23), il primo autore dello studio. “Volevamo collegare la biomeccanica della cerniera dell’ala ai circuiti neurali che la controllano”.
Innanzitutto, il team ha creato prodotti geneticamente modificati D. melanogaster in cui i muscoli che controllano la cerniera dell’ala si illuminano di luce fluorescente quando vengono attivati. I ricercatori hanno poi posizionato le mosche in una camera con tre telecamere ad alta velocità in grado di catturare 15.000 fotogrammi al secondo per misurare il movimento delle ali e un microscopio per rilevare l’attivazione fluorescente dei muscoli delle cerniere delle ali della mosca. Dopo aver raccolto oltre 80.000 battiti d’ali, il team ha applicato tecniche di apprendimento automatico per elaborare un grande volume di dati e generare una mappa di come i 12 minuscoli muscoli di controllo agiscono insieme per regolare con precisione il movimento delle ali. I precedenti modelli computerizzati del volo a mosca descrivevano semplicemente lo schema del movimento delle ali. Il nuovo modello, al contrario, incorpora il modo in cui i muscoli di controllo alterano la meccanica della cerniera dell’ala, producendo il movimento dell’ala.
Nel lavoro successivo, il team mira a creare un modello dettagliato basato sulla fisica che incorpori la biomeccanica della cerniera con l’aerodinamica delle ali e il circuito neurale sottostante all’interno del cervello della mosca. I ricercatori intendono anche raccogliere dati da altre specie di insetti volanti, come zanzare e api, per capire come si sono evolute le strutture delle ali per consentire comportamenti di volo sofisticati.
L’obiettivo finale è comprendere la connessione neurobiologica tra il cervello di una mosca e il movimento delle sue ali. “La cerniera dell’ala è solo l’hardware; la vera passione nel nostro laboratorio è stata l’interfaccia cervello-corpo”, afferma Dickinson. “Vogliamo comprendere i circuiti tra la biomeccanica e la neurobiologia. Pochissime volte nell’evoluzione un animale ha avuto una forma di locomozione di grande successo – camminare – e semplicemente aggiuntoun altro: volare. Ciò significa che il cervello degli insetti deve avere tutti i circuiti per adattarsi a modalità di movimento completamente diverse”.
Scritto da Lori Dajose
Fonte: Caltech
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
