3D-видео изнутри летящих насекомых
Впервые сняты в полёте мышцы, двигающиеся внутри мух, с помощью новой методики 3D-рентгеновского сканирования.
Трёхмерные фильмы о работе мышц создала команда из Оксфордского университета, Имперского колледжа Лондона и Института Пауля Шеррера (PSI), используя мощный источник рентгеновского излучения PSI — Swiss Light Source. Видео позволяют заглянуть внутрь одного из самых сложных механизмов природы — летательного «мотора» синей падальной мухи (Calliphora vicina). Это может вдохновить на новые конструкции микролетальных аппаратов и других микромеханизмов.
Отчёт об исследовании, включая 3D-видео, опубликован на этой неделе в журнале PLOS Biology.
За время, необходимое человеку, чтобы моргнуть, синяя падальная муха может взмахнуть крыльями 50 раз, контролируя каждый взмах с помощью многочисленных крошечных рулевых мышц — некоторые толщиной с человеческий волос. Перепончатые крылья не содержат мышц, поэтому все летательные мышцы скрыты внутри грудного отдела (торакса).
«Ткани грудного отдела блокируют видимый свет, но могут быть проникнуты рентгеновскими лучами, — сказал доктор Раджмунд Моксо из PSI. — Раскручивая мух в специальной экспериментальной установке для скоростной съёмки на Swiss Light Source, мы записывали рентгенограммы с такой высокой скоростью, что полётные мышцы можно было рассмотреть под разными углами на всех фазах взмаха крыла. Мы объединили эти изображения в 3D-визуализации полётных мышц, которые колебались взад-вперёд 150 раз в секунду».
Мухи, реагируя на раскручивание, пытались повернуть в противоположном направлении, что позволило учёным зафиксировать асимметричные движения мышц, связанные с поворотным полётом.
«Ключевой вопрос в том, как крошечные рулевые мышцы мухи, составляющие менее 3% от общей массы её летательных мышц, влияют на работу гораздо более крупных мышц, которые обеспечивают мощность её полёта, — сказал профессор Грэм Тейлор из Департамента зоологии Оксфордского университета, руководивший исследованиями в Оксфорде. — Мы обнаружили, что мухи эволюционировали механизм, весьма похожий на дифференциал в автомобиле: в то время как мощность, передаваемая на крылья с каждой стороны, остаётся одинаковой, муха эффективно «тормозит» с одной стороны, отводя избыточную мощность в рулевую мышцу, специализированную для поглощения механической энергии».
Профессор Хольгер Крапп из Департамента биоинженерии Имперского колледжа Лондона сказал: «Мы в восторге, потому что впервые можем визуализировать, как силовые и рулевые мышцы в грудном отделе мухи работают, обеспечивая потрясающе акробатические манёвры в полёте, не имеющие аналогов среди созданных человеком устройств. Наше исследование открывает возможность выяснить, как муха управляет своим сложным летательным двигателем, используя сигналы от различных сенсоров и мозг размером не больше булавочной головки».
Профессор Тейлор добавил: «Мы надеемся, что наше новое понимание этой умной конструкции, которая производит большие, сложные 3D-движения с помощью приводов, генерирующих только небольшие, простые одномерные движения, вдохновит на разработку новых микролетальных аппаратов и других микромеханических устройств».
Доктор Саймон Уокер из Оксфордского университета, первый соавтор исследования вместе с Даниэлем Швином, сказал: «Крыловой шарнир мухи, вероятно, самый сложный сустав в природе и продукт более 300 миллионов лет эволюционного совершенствования. Результатом стал механизм, который радикально отличается от обычных созданных человеком конструкций: он создан, чтобы гнуться и сгибаться, а не работать, как часовой механизм».