Как насекомые ощущают механическое воздействие? Этот вопрос интересует не только энтомологов. Тему проприецепции в движении изучают специалисты из самых разных областей, включая сравнительную морфологию, нейробиологию и робототехнику.
В Институте биологии организмов Боннского университета разработали компьютерную модель дрозофилы, сосредоточив внимание на крошечных механорецепторах, расположенных в суставах ее ног, чтобы понять, как положение, ориентация и физические свойства этих сенсоров влияют на их функцию. Проведенные симуляции показали, что при обычной ходьбе эти органы, по-видимому, не активируются исключительно за счет силы шага.
Цели
Цель исследования — выяснить, как насекомые с их сравнительно примитивной нервной системой координируют движения множества ног. Это важно с биологической точки зрения, поскольку насекомые — один из самых многочисленных классов. Кроме того, нервная система мухи в силу своей простоты может служить превосходной моделью для изучения нейрологических процессов. Понимание базовых механизмов ее работы продвинет вперед как нейробиологию, так и робототехнику.
В исследовании в Journal of the Royal Society Interface основное внимание уделено крошечным сенсорным органам плодовой мушки Drosophila — колокольчатым сенсиллам campaniform sensilla, расположенным рядом с суставами ног.
Методы
В исследовании сочетались три метода.
Высокоскоростные камеры применялись для записи трехмерного движения ног мух. Партнеры из США использовали методы анализа движения, известные как «обратная кинематика» и «обратная динамика», чтобы рассчитать силу шага. С помощью электронной микроскопии была точно определена внутренняя и внешняя геометрия сенсорных органов с точностью до тысячных долей миллиметра.
Данные, полученные этими тремя методами, были объединены в компьютерной модели, которая имитирует деформацию сенсорных органов при движении мухи. На последнем этапе уровень механического воздействия сравнивался с известными из литературы пороговыми значениями, необходимыми для активации сенсорных клеток за счет ионного потока.
Выводы
Модель показала, что при обычной ходьбе вперед механическая нагрузка недостаточна для активации этих небольших сенсорных органов, расположенных на бедрах мухи. Полученные данные подтверждают альтернативные гипотезы об активации и функционировании этих органов, например, за счет локальных мышечных усилий. Хотя мухи и не так сильны, как муравьи, для своих размеров они обладают значительной мощью.
У насекомых множество механических сенсоров, и не все они обязательно задействуются в каждом конкретном действии. Таким образом, наблюдения представляют собой лишь часть сложной головоломки — и чем больше удается узнать, тем больше возникает вопросов. Модель была опубликована в открытом доступе, что упрощает ее использование в исследованиях других животных и научных задач.
Планы
Поскольку обычная ходьба, судя по всему, не активирует эту часть системы механического восприятия мух, в дальнейшем планируется изучить другие типы поведения или движения, например, ползание вверх ногами по потолку, которые могут играть роль в ее работе. Также ученые намерены исследовать другие модельные системы, включая иные расположения сенсорных органов — ведь такие рецепторы насекомых есть практически на всех частях ног и тела.
Ученые прикрепили QR-коды к тысячам пчел и узнали, куда они летают