A muchos de nosotros nos encantaría tener la superpotencia de volar, y por una buena razón:el vuelo ofrece una ventaja evolutiva crucial. Volar permite a un animal viajar grandes distancias rápidamente, en busca de alimento y nuevos hábitats, gastando mucha menos energía que caminar. A través del vuelo, los insectos colonizaron el planeta y fomentaron la diversificación masiva de plantas con flores al actuar como eficientes polinizadores. También permitieron la evolución de otras criaturas como reptiles, aves y mamíferos al servir como una amplia fuente de alimento.
El vuelo ha evolucionado cuatro veces en la historia de la vida en la Tierra:en aves, murciélagos, pterosaurios e insectos. Los primeros tres grupos de animales desarrollaron sus alas a partir de los brazos, lo que hace que estas alas sean fáciles de entender, ya que otros animales similares tienen huesos y musculatura similares. Las alas de los insectos, sin embargo, no tienen músculos ni nervios. En cambio, están controlados por músculos ubicados dentro del cuerpo que operan un sistema de poleas similares a marionetas dentro de una compleja bisagra en la base del ala.
"La bisagra del ala de la mosca es quizás la estructura más misteriosa y subestimada en la historia de la vida", dice Michael Dickinson, profesor Esther M. y Abe M. Zarem de Bioingeniería y Aeronáutica de Caltech y director ejecutivo de biología e ingeniería biológica. "Si los insectos no hubieran desarrollado esta improbable articulación para batir sus alas, el mundo sería un lugar muy diferente, sin plantas con flores ni criaturas familiares como pájaros, murciélagos y probablemente humanos".
Cómo controla un insecto esta estructura diminuta e intrincada en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster es el tema de un nuevo estudio realizado por Dickinson y sus colegas. Utilizando cámaras de alta velocidad y aprendizaje automático, el laboratorio de Dickinson recopiló datos sobre decenas de miles de aleteos de moscas y creó un mapa de cómo los músculos de la mosca controlan el movimiento de la bisagra del ala para crear ágiles maniobras de vuelo aerodinámicas.
El estudio fue publicado en la revista Nature. el 17 de abril.
La bisagra del ala de una mosca contiene 12 músculos de control, con una neurona conectada a cada uno. A modo de contexto, si bien un colibrí posee la misma maniobrabilidad que una mosca, utiliza miles de neuronas motoras para ejecutar maniobras de vuelo similares.
"No queríamos simplemente predecir el movimiento del ala; queríamos conocer el papel de los músculos individuales", dice Johan Melis (Ph.D. '23), el primer autor del estudio. "Queríamos unir la biomecánica de la bisagra del ala con los circuitos neuronales que la controlan".
Primero, el equipo creó D. melanogaster genéticamente modificado en el que los músculos que controlan la bisagra del ala brillarían con luz fluorescente cuando se activaran. Luego, los investigadores colocaron las moscas en una cámara con tres cámaras de alta velocidad capaces de capturar 15.000 fotogramas por segundo para medir el movimiento de las alas, y un microscopio para detectar la activación fluorescente de los músculos de las bisagras de las alas de la mosca.
Después de recopilar más de 80.000 aleteos, el equipo aplicó técnicas de aprendizaje automático para procesar el gran volumen de datos y generar un mapa de cómo los 12 pequeños músculos de control actúan juntos para regular con precisión el movimiento de las alas. Los modelos informáticos anteriores del vuelo de las moscas describían simplemente el patrón de movimiento de las alas. El nuevo modelo, por el contrario, incorpora cómo los músculos de control alteran la mecánica de la bisagra del ala, produciendo el movimiento del ala.
En el trabajo de seguimiento, el equipo pretende crear un modelo detallado basado en la física que incorpore la biomecánica de la bisagra con la aerodinámica de las alas y el circuito neuronal subyacente dentro del cerebro de la mosca. Los investigadores también planean recopilar datos de otras especies de insectos voladores, como mosquitos y abejas, para comprender cómo evolucionaron las estructuras de las alas para permitir comportamientos de vuelo sofisticados.
El objetivo final es comprender la conexión neurobiológica entre el cerebro de una mosca y el movimiento de sus alas. "La bisagra del ala es sólo el hardware; la verdadera pasión en nuestro laboratorio ha sido la interfaz cerebro-cuerpo", dice Dickinson.
"Queremos comprender el circuito entre la biomecánica y la neurobiología. Muy pocas veces en la evolución un animal ha tenido una forma de locomoción muy exitosa (caminar) y simplemente agregó otra:volar. Esto significa que los cerebros de los insectos deben tener todos los circuitos se pueden regular a medios de movimiento completamente diferentes."
Más información: Johan M. Melis et al, El aprendizaje automático revela la mecánica de control de la bisagra de un ala de insecto, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07293-4
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California
