昆虫如何控制翅膀:昆虫飞行的神秘机制


我们中的许多人都希望拥有飞行的超能力,因为飞行为进化提供了至关重要的优势。飞行使动物能够在短时间内行进大段距离,寻找食物和新的栖息地,而消耗的能量却比步行少得多。通过飞行,昆虫在地球上建立了殖民地,并作为高效的传粉者促进了开花植物的多样化进化。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。

在地球生命史上,飞行经历了四次进化:鸟类、蝙蝠、翼龙和昆虫。前三类动物的翅膀都是由手臂进化而来的,因此其进化过程很容易理解,因为其他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。它们的翅膀是由位于身体内部的肌肉控制的,这些肌肉在翅膀基部的一个复杂铰合部中操纵着一个类似于牵线木偶的滑轮系统。

Michael Dickinson认为:“苍蝇翅膀的铰合部可能是生命史上最神秘、最不被重视的结构。”他是加州理工学院生物工程和航空学Esther M. and Abe M. Zarem教授、生物学和生物工程执行主任,也是加州理工学院陈天桥雒芊芊脑科学研究院的附属教员。“如果昆虫没有进化出这种非常不可思议的扇动翅膀的关节,如今的世界将大变样,不再有各种我们现在熟悉的开花植物和生物,如鸟类、蝙蝠,甚至可能不会出现人类。”

Dickinson及其同事最新的研究主题是:昆虫是如何控制果蝇(Drosophila melanogaster)这种微小而复杂的结构的。他的实验室利用高速摄像机和机器学习,收集了数以万计的苍蝇扑翼数据,并绘制出了一张图,以展示苍蝇的肌肉是如何操纵翅膀的铰合运动以形成适合飞行的气流。

4月17日,《自然》期刊刊登了一篇题为《机器学习揭示了昆虫翅膀铰链的控制机制》(Machine learning reveals the control mechanics of an insect wing hinge)的论文,对这项研究进行了描述。

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