Florian Muijres, Dickinson Lab
Vor etwa 350 Millionen Jahren erlebte unser Planet die Entwicklung der ersten fliegenden Lebewesen. Sie sind immer noch da und einige von ihnen nerven uns weiterhin mit ihrem Summen. Während Wissenschaftler diese Kreaturen als Pterygoten klassifiziert haben, nennt der Rest der Welt sie einfach geflügelte Insekten.
Viele Aspekte der Insektenbiologie, insbesondere ihr Flug, bleiben für Wissenschaftler ein Rätsel. Eine davon ist einfach die Art und Weise, wie sie ihre Flügel bewegen. Das Insektenflügelscharnier ist ein spezielles Gelenk, das die Flügel eines Insekts mit seinem Körper verbindet. Es besteht aus fünf miteinander verbundenen plattenartigen Strukturen, die Sklerite genannt werden. Wenn diese Platten durch die darunter liegenden Muskeln verschoben werden, schlagen die Insektenflügel.
Bisher war es für Wissenschaftler selbst mit fortschrittlichen Bildgebungstechnologien schwierig, die Biomechanik zu verstehen, die die Bewegung der Skleriten steuert. „Die Sklerite innerhalb des Flügelscharniers sind so klein und bewegen sich so schnell, dass ihre mechanische Funktionsweise während des Fluges trotz Bemühungen mit Stroboskopfotografie, Hochgeschwindigkeitsvideografie und Röntgentomographie nicht genau erfasst werden konnte“, sagt Michael Dickinson, Zarem-Professor für Biologie und Bioingenieurwesen am California Institute of Technology (Caltech), sagte Ars Technica.
Daher sind Wissenschaftler nicht in der Lage, genau zu visualisieren, was im Mikromaßstab innerhalb des Flügelscharniers beim Fliegen vor sich geht, und können den Flug von Insekten daher nicht im Detail untersuchen. Eine neue Studie von Dickinson und seinem Team enthüllte jedoch endlich die Funktionsweise von Skleriten und dem Flügelscharnier von Insekten. Sie haben die Flügelbewegung von Fruchtfliegen eingefangen (Drosophila melanogaster) analysierte 72.000 aufgezeichnete Flügelschläge mithilfe eines neuronalen Netzwerks, um die Rolle zu entschlüsseln, die einzelne Skleriten bei der Gestaltung der Flügelbewegung von Insekten spielten.
Das Scharnier der Insektenflügel verstehen
Die Biomechanik, die den Flug von Insekten steuert, unterscheidet sich deutlich von der von Vögeln und Fledermäusen. Das liegt daran, dass sich Flügel bei Insekten nicht aus Gliedmaßen entwickelt haben. „Bei Vögeln, Fledermäusen und Flugsauriern wissen wir genau, woher die Flügel evolutionär stammen, denn alle diese Tiere fliegen mit ihren Vorderbeinen. Sie benutzen im Grunde ihre Arme zum Fliegen. Bei Insekten ist das eine ganz andere Geschichte. Sie entwickelten sich aus sechsbeinigen Organismen und behielten alle sechs Beine. Allerdings fügten sie auf der Rückseite ihres Körpers schlagende Gliedmaßen hinzu, und es ist ein Rätsel, woher diese Flügel kamen“, erklärte Dickinson.
Einige Forscher vermuten, dass Insektenflügel von kiemenartigen Anhängseln stammen, die in alten Wasserarthropoden vorhanden waren. Andere argumentieren, dass die Flügel aus „Lappen“ entstanden seien, besonderen Auswüchsen an den Beinen alter Krebstiere, die Vorfahren der Insekten waren. Diese Debatte ist noch im Gange, daher kann uns ihre Entwicklung nicht viel über die Funktionsweise des Scharniers und der Skleriten verraten.
Das Verständnis der Scharniermechanik ist von entscheidender Bedeutung, da sie Insekten zu effizienten fliegenden Lebewesen macht. Es ermöglicht ihnen, im Verhältnis zu ihrer Körpergröße beeindruckende Geschwindigkeiten zu erreichen (einige Insekten können 53 km/h fliegen) und im Flug eine große Manövrierfähigkeit und Stabilität zu demonstrieren.
„Das Insektenflügelscharnier gehört wohl zu den fortschrittlichsten und evolutionär wichtigsten Skelettstrukturen in der natürlichen Welt“, so die Autoren der Studie.
Allerdings war es aufgrund ihrer Größe und der Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegen, unmöglich, die Aktivität von vier der fünf Skleriten, die das Scharnier bilden, abzubilden. Dickinson und sein Team verfolgten einen multidisziplinären Ansatz, um diese Herausforderung zu meistern. Sie entwickelten einen Apparat, der mit drei Hochgeschwindigkeitskameras ausgestattet war und die Aktivität angebundener Fruchtfliegen mit 15.000 Bildern pro Sekunde mittels Infrarotlicht aufzeichnete.
Sie nutzten außerdem ein kalziumempfindliches Protein, um Veränderungen in der Aktivität der Steuermuskeln der fliegenden Insekten zu verfolgen (Kalzium hilft dabei, Muskelkontraktionen auszulösen). „Wir haben insgesamt 485 Flugsequenzen von 82 Fliegen aufgezeichnet. Nachdem wir eine Teilmenge der Flügelschläge aus den Sequenzen ausgeschlossen hatten, in denen die Fliege entweder aufhörte zu fliegen oder mit einer ungewöhnlich niedrigen Flügelschlagfrequenz flog, erhielten wir einen endgültigen Datensatz von 72.219 Flügelschlägen“, stellen die Forscher fest.
Als nächstes trainierten sie ein auf maschinellem Lernen basierendes Convolutional Neural Network (CNN) unter Verwendung von 85 Prozent des Datensatzes. „Wir verwendeten das CNN-Modell, um die Transformation zwischen Muskelaktivität und Flügelbewegung zu untersuchen, indem wir eine Reihe virtueller Manipulationen durchführten und das Netzwerk nutzten, um Experimente durchzuführen, die an echten Fliegen nur schwer durchzuführen wären“, erklärten sie.
Zusätzlich zum neuronalen Netzwerk entwickelten sie auch ein neuronales Encoder-Decoder-Netzwerk (eine Architektur, die beim maschinellen Lernen verwendet wird) und versorgten es mit Daten zur Lenkmuskelaktivität. Während das CNN-Modell die Flügelbewegung vorhersagen konnte, konnte der Encoder/Decoder die Aktion einzelner Skleritmuskeln während der Flügelbewegung vorhersagen. Jetzt war es an der Zeit zu überprüfen, ob die vorhergesagten Daten korrekt waren.