Как летает муха

Нейросеть помогла понять, как насекомые управляют своим полётом.

Что за вопрос – «как летает муха»? Машет крыльями и летает – как птица или летучая мышь. Но крыло насекомого устроено совсем не так, как у птицы или летучей мыши. Крыло позвоночных – изменённая передняя конечность. У него есть свои кости с суставами; скелет крыла через плечевой сустав соединён со скелетом туловища. У птичьего и летучемышиного крыла есть свои мышцы, управляющие полётом. Несмотря на все изменения, в целом оно устроено так же, как наша рука или кошачья лапа.

Крыло насекомых – это вырост экзоскелета. Оно укреплено более или менее толстыми жилками, которые заполнены гемолимфой и в которых проходят нервы и ветви трахей, но никаких костей и мышц в нём нет. (Собственно, у насекомых костей в нашем обычном понимании нет вообще.) С туловищем крыло соединяется тоже иначе, с помощью системы склеритов. Так называются плотные кусочки кутикулы, подвижные друг относительно друга. Склериты работают как передаточный механизм: когда один склерит меняет положение, это чувствуют его соседи, и, в конечном счёте, само крыло.

Чтобы двигать крыльями, нужны мышцы. Летательные мышцы у насекомых прячутся в туловище, в головогруди. У стрекоз и у подёнок эти мышцы соединены с основанием крыльев и непосредственно ими управляют, то есть сокращения мышц передаются сразу на крыло. У остальных насекомых всё сложнее: у них работа мышц передаётся крыльям через посредников, то есть через элементы экзоскелета головогруди. Сокращаясь, разные группы летательных мышц деформируют экзоскелет, сжимая и растягивая его в разных направлениях, и эти микродеформации передаются крыльям, которые движутся вверх и вниз. Насекомые машут крыльям очень часто, соответственно их мышцы тоже должны сокращаться и расслабляться с высокой частотой. Есть насекомые, у которых каждому мышечному сокращению соответствует нейронный импульс – они не могут махать крыльями чаще, чем сто раз в секунду. И есть другие насекомые, с большей частотой взмахов – их мышцы сокращаются чаще, чем к ним прибегают импульсы из мозга. Их мышцы так организованы, что благодаря определённым биомеханическим законам они могут сокращаться и расслабляться много раз, получив всего один нейронный сигнал.

Это всё касается «моторных», силовых мышц, благодаря которым крыло движется вверх-вниз. Но в полёте нужно ещё рулить, нужно выбирать направление, менять курс, и т. д. Насекомые способны выделывать в воздухе невероятные кульбиты, и рулевая система у них должны быть устроена весьма сложно. Всё действительно так: если взять дрозофилу, у неё есть двенадцать рулевых мышц, которые крепятся к тем самым склеритам, которые соединяют крыло с туловищем. Остаётся только понять, какие мышцы и склериты отвечают за те или иные изменения в положении крыльев, за те или иные воздушные манёвры.

муха крыло.png

Схема крепления крыла мухи к туловищу. Серым окрашен фрагмент крыла, прямоугольником выделен комплекс склеритов и крепящихся к ним мышц (окрашены разными цветами). (Иллюстрация: Johan M. Melis et al., Nature, 2024)

Этой задачей уже несколько лет занимаются сотрудники Калифорнийского технологического института, и об их результатах мы уже как-то писали. Проблема в том, что нейроанатомические исследования позволяют описать мушиный полёт только в общих чертах. Можно, условно говоря, подёргать за одну мышцу, или за две, или за три, и посмотреть, что происходит со склеритами и крылом; можно даже записать активность мышц у живой мухи и с помощью математических и механических моделей представить, как мышечная активность влияет на полёт. Но это всё равно будет лишь приблизительное описание механики управления. Чтобы избавиться от приблизительности, нужно наблюдать за живой мухой в полёте, сопоставляя естественные движения крыльев с работой мышц.

Активность мышц можно увидеть живьём благодаря генетической инженерии. В работающих мышцах резко перегруппировываются ионы кальция между клетками и межклеточной средой. Потоки кальция можно зарегистрировать с помощью флуоресцентного белка, который начинает светиться в ответ на кальциевые изменения. Исследователи ввели в геном дрозофил ген этого белка, который у модифицированных мух синтезировался во всех рулевых мышцах. Затем мухам устраивали что-то вроде виртуальной реальности: они были неподвижно закреплены на весу в специальной камере и могли свободно махать крыльями, а вокруг них был экран со светодиодами. Светодиоды, которые загорались то так, то этак, заставляли муху думать, что она летит то туда, то сюда; соответственно, её можно было заставить двигать рулевыми мышцами, чтобы сменить