Molti di noi adorerebbero il superpotere di volare, e per una buona ragione:il volo offre un vantaggio evolutivo cruciale. Volare consente a un animale di percorrere rapidamente grandi distanze, alla ricerca di cibo e nuovi habitat, consumando molta meno energia rispetto a camminare. Attraverso il volo, gli insetti colonizzarono il pianeta e favorirono la massiccia diversificazione delle piante da fiore agendo come efficienti impollinatori. Inoltre hanno consentito l'evoluzione di altre creature come rettili, uccelli e mammiferi fungendo da ampia scorta di cibo.
Il volo si è evoluto quattro volte nella storia della vita sulla Terra:negli uccelli, nei pipistrelli, negli pterosauri e negli insetti. I primi tre gruppi di animali hanno evoluto le loro ali dalle braccia, rendendo queste ali semplici da comprendere poiché altri animali simili hanno ossa e muscolatura analoghe. Le ali degli insetti, tuttavia, non hanno muscoli o nervi. Sono invece controllati da muscoli situati all'interno del corpo che azionano un sistema di pulegge simili a marionette all'interno di un complesso cardine alla base dell'ala.
"Il cardine dell'ala della mosca è forse la struttura più misteriosa e sottovalutata nella storia della vita", afferma Michael Dickinson, Esther M. e Abe M. Zarem del Caltech, professori di bioingegneria e aeronautica e funzionario esecutivo per la biologia e l'ingegneria biologica. "Se gli insetti non avessero sviluppato questa improbabile articolazione per battere le ali, il mondo sarebbe un posto molto diverso, privo di piante da fiore e creature familiari come uccelli, pipistrelli e probabilmente esseri umani."
Il modo in cui un insetto controlla questa piccola e intricata struttura nel moscerino della frutta Drosophila melanogaster è oggetto di un nuovo studio condotto da Dickinson e dai suoi colleghi. Utilizzando telecamere ad alta velocità e apprendimento automatico, il laboratorio di Dickinson ha raccolto dati su decine di migliaia di battiti d'ali delle mosche e ha creato una mappa di come i muscoli della mosca manipolano il movimento del cardine dell'ala per creare agili manovre di volo aerodinamiche.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature il 17 aprile.
La cerniera dell'ala di una mosca contiene 12 muscoli di controllo, con un neurone collegato a ciascuno. Per contestualizzare, sebbene un colibrì possieda la stessa manovrabilità di una mosca, utilizza migliaia di motoneuroni per eseguire manovre di volo simili.
"Non volevamo solo prevedere il movimento delle ali; volevamo conoscere il ruolo dei singoli muscoli", afferma Johan Melis (Ph.D. '23), il primo autore dello studio. "Volevamo collegare la biomeccanica della cerniera dell'ala ai circuiti neurali che la controllano."
Innanzitutto, il team ha creato D. melanogaster geneticamente modificato in cui i muscoli che controllano la cerniera dell'ala si illuminano di luce fluorescente quando vengono attivati. I ricercatori hanno quindi posizionato le mosche in una camera con tre telecamere ad alta velocità in grado di catturare 15.000 fotogrammi al secondo per misurare il movimento delle ali, e un microscopio per rilevare l'attivazione fluorescente dei muscoli delle cerniere delle ali della mosca.
Dopo aver raccolto più di 80.000 battiti d'ali, il team ha applicato tecniche di apprendimento automatico per elaborare un grande volume di dati e generare una mappa di come i 12 minuscoli muscoli di controllo agiscono insieme per regolare con precisione il movimento delle ali. I precedenti modelli computerizzati del volo a mosca descrivevano semplicemente lo schema del movimento delle ali. Il nuovo modello, al contrario, incorpora il modo in cui i muscoli di controllo alterano la meccanica della cerniera dell'ala, producendo il movimento dell'ala.
Nel lavoro successivo, il team mira a creare un modello dettagliato basato sulla fisica che incorpori la biomeccanica della cerniera con l'aerodinamica delle ali e il circuito neurale sottostante all'interno del cervello della mosca. I ricercatori intendono anche raccogliere dati da altre specie di insetti volanti, come zanzare e api, per capire come si sono evolute le strutture delle ali per consentire comportamenti di volo sofisticati.
L'obiettivo finale è comprendere la connessione neurobiologica tra il cervello di una mosca e il movimento delle sue ali. "Il cardine dell'ala è semplicemente l'hardware; la vera passione nel nostro laboratorio è stata l'interfaccia cervello-corpo", afferma Dickinson.
"Vogliamo comprendere i circuiti tra la biomeccanica e la neurobiologia. Pochissime volte nel corso dell'evoluzione un animale ha avuto una forma di locomozione di grande successo - camminare - e ne ha semplicemente aggiunta un'altra - volare. Ciò significa che il cervello degli insetti deve avere tutto il circuito per adattarsi a mezzi di movimento completamente diversi."
Ulteriori informazioni: Johan M. Melis et al, L'apprendimento automatico rivela i meccanismi di controllo della cerniera dell'ala di un insetto, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07293-4
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dal California Institute of Technology
