Как насекомое весом в несколько миллиграммов чувствует мир под ногами? Ученые выяснили, что комнатные мухи использовали особые сенсоры в лапках для точного определения силы и ее динамики. Исследование не только пролило свет на биомеханику насекомых, но и поможет в разработке нового поколения роботов.
Биологи давно изучают, как животные воспринимают механические силы, необходимые для движения и равновесия. У крупных насекомых, таких как тараканы и палочники, эти механизмы хорошо известны — ключевую роль играют куполовидные сенсиллы, особые механорецепторы внутри экзоскелета. Однако оставалось открытым, как обстоят дела у крошечных насекомых с минимальным весом, таких как обычные комнатные мясные мухи Calliphora vicina.
Предыдущие исследования на мухах часто фокусировались на плодовой мушке дрозофиле. Ее генетические преимущества неоспоримы, но малый размер ограничивал возможности для прямого изучения сенсорных элементов. Сенсоры на крыльях и жужжальцах мух были подробно изучены, но активная работа сенсоров именно на их ногах оставалась практически «белым пятном» для физиологов.
Новое исследование, результаты которого опубликованы в журнале Journal of Neurophysiology, заполнило этот пробел. Международная команда ученых изучила поведение куполовидных сенсилл, расположенных на голени задней лапки комнатной мухи. Эти похожие на крошечные купола в экзоскелете органы важны для кодирования информации о механических силах во время стояния и движения.
В рамках эксперимента ученые записывали активность группы сенсилл на голени задней лапки мух, прилагая к лапке контролируемые силы с различной скоростью и амплитудой. Оказалось, что сенсиллы комнатной мухи чрезвычайно чувствительны не только к абсолютной величине прилагаемой силы, но и к скорости ее изменения.
Сенсорные ответы показали гистерезис (зависимость состояния системы от ее предыстории) и высокую чувствительность к кратким спадам нагрузки. Даже очень малые и кратковременные уменьшения силы вызывали сильное подавление активности этих сенсоров.
Это продемонстрировало, насколько восприятие силы жизненно важно для равновесия и передвижения. Даже легчайшие насекомые, подобные комнатным мухам, нуждаются в отслеживании как величины силы, так и ее динамики, причем делают это очень точно.
Для проверки своих наблюдений биологи применили математическую модель, изначально разработанную для описания работы аналогичных сенсоров у более крупных насекомых. Однако модель смогла точно воспроизвести реакции сенсоров комнатной мухи. Это весомое подтверждение идеи о том, что обнаружение силы — универсальная, масштабируемая стратегия, которая помогает контролировать мышцы и поддерживать равновесие и присуща различным видам насекомых вне зависимости от их размера.
Такая чувствительность помогает при ходьбе и сигнализирует о проскальзывании ноги, которое способно дестабилизировать опору тела, еще до изменения его положения. Сенсиллы мух кодировали силы в диапазонах, соответствующих их минимальному весу, но их активность также подавлялась очень малыми кратковременными уменьшениями силы.
Моделирование показало, что характерные особенности куполовидных сенсилл, такие как чувствительность к скорости и гистерезис, являются эмерджентными (естественно возникающими) свойствами примененной математической модели. Она точно воспроизвела реакции сенсоров мухи на различные стимулы, будучи настроенной лишь на один простой тип воздействия.
Этот подход к моделированию может улучшить понимание настройки сенсоров у различных животных. Кроме того, он открывает путь к совершенствованию передвижения роботов через имитацию реакции реальных сенсорных систем на силу, тем самым объединяя фундаментальные биологические открытия с практическими инженерными разработками в области биомеханики и робототехники.