Пытались выгнать муху из комнаты? Тогда вы знаете, насколько это сложно. Кажется, ученые поняли, как эти насекомые делают такие резкие маневры в воздухе Разумеется, открытию помогли нейросети
Люди всегда жили бок о бок с мухами — с этими насекомыми боролись, изучали, рисовали и даже придумывали способы их полезного применения. Однако биологи до сих пор точно не знали, что эти крошечные существа делают, чтобы управлять движениями крыльев и совершать резкие маневры в воздухе, позволяющие им оставаться неуловимыми. Группа американских ученых из Калтеха и Медицинского института Говарда Хьюза решила разобраться в этом вопросе, для чего они вооружились камерой с частотой съемки 15 тысяч кадров в секунду и засняли почти 500 сцен полета мух. После этого полученные данные обработали с помощью нейросети — и даже построили роботизированный макет крыла насекомого. Исследование было публиковано 17 апреля 2024 года в журнале Nature. Это один из многих примеров того, как современные технологии помогают изучать мир насекомых: не так давно ученые смогли приблизиться к ответу на другой извечный вопрос — почему мошки летят на свет лампы, несмотря на опасность гибели.
Что происходит в теле мухи, когда она спасается от летящей в ее сторону газеты? Чтобы ответить, ученым пришлось снимать крылья насекомого с частотой 15 тысяч кадров в секунду
Почему мух так сложно поймать? Что делает их такими быстрыми и ловкими? Эти вопросы давно беспокоят не только обывателей, но и ученых, которые опубликовали далеко не одну статью, посвященную особенностям полета этих насекомых (именно за счет этих особенностей вид стал одним из самых успешных и распространенных на планете).
Сегодня биологам хорошо известно устройство крыльев мухи. Как и у других насекомых, они представляют собой не видоизменившиеся в процессе эволюции конечности (у птиц или летучих мышей это именно так), а отдельные структуры, которые крепятся к телу на специальных природных «шарнирах». Эти «шарниры», в свою очередь, состоят из крошечных частиц наружного скелета, которые ученые называют склеритами. Они-то и преобразуют движения специальных мышц во взмахи крыльев.
В теории все понятно — проблема в том, что эти самые склериты так малы, а мышцы, которые с ними связаны, сокращаются так быстро, что ученым пока не удалось заснять их движение. Проще говоря, биологи до сих пор не знают, что именно происходит в теле мухи, когда она закладывает крутой вираж, спасаясь от летящей в ее сторону газеты.
Понимая, что современная техника не способна точно зафиксировать эти процессы, группа ученых из Калифорнийского технологического института и Медицинского института Говарда Хьюза решила обратиться к помощи нейросетей. Они подробно — насколько это возможно — засняли процесс полета насекомых и с помощью алгоритмов машинного обучения создали виртуальную трехмерную модель того, как муха машет крыльями.
Чтобы получить максимально детальное изображение процесса полета, исследователи сконструировали специальный прибор, который снимал движения крыльев с частотой 15 тысяч (!) кадров в секунду, параллельно измеряя активность специальных рулевых мышц, с помощью которых мухи управляют полетом. Увидеть (в буквальном смысле) активность мышц у летящего животного удалось благодаря специальным флуоресцентным меткам, которые загораются при сокращении той или иной мышцы. Ученые засняли в общей сложности 485 сцен полета насекомых — всего в эксперименте участвовало 82 мухи.
Стремясь зафиксировать как можно более разнообразные движения, авторы эксперимента подавали насекомым разные сигналы с помощью светодиодов, чтобы спровоцировать их на максимально непредсказуемое поведение. В итоге для анализа были отобраны изображения 72 219 взмахов крыльев. Большую их часть — 85% — использовали для обучения специальной нейросети, еще 15% оставили для тестирования получившегося алгоритма, которому и предстояло во всех подробностях воспроизвести схему движения крыла, включая сокращения мышц и движения склеритов (об этом тестировании ниже).
На вход такая нейросеть получала мышечную активность мухи (полученную благодаря флуоресцентным меткам) и частоту взмахов крыльями, а на выходе должна была предсказать точное положение крыльев относительно тела — со всеми описывающими это положение углами наклона в разных плоскостях.
Несмотря на то что на записях не было видно всех деталей, нейросеть смогла построить на удивление подробную модель того, как устроен механизм полета мухи. Ученые увидели, что 24 рулевые мышцы (по 12 на каждое крыло) делятся на две категории: одни сокращаются короткими очередями, движения других имеют бóльшую продолжительность. Часть из них отвечают за амплитуду движения, другие — за угол наклона крыла, меняя соотношение подъемной силы к лобовому сопротивлению воздуха. Все это и позволяет насекомым так активно маневрировать в полете.
Обучение нейросети и получение от нее модели только часть дела. Алгоритм, по сути, дает исследователям только предположение (пусть и составленное на основе огромного массива данных) о том, как устроено движение крыльев. Далее ученым предстояло проверить выводы нейросети.
Чтобы понять, как модель работает в реальном мире, исследователи собрали роботизированный макет крыла мухи и «шарнира», с помощью которого оно крепится к телу насекомого. Крыло могло менять угол наклона в трех плоскостях, а специальные датчики регистрировали, как это влияет на аэродинамику.
Получив таким образом необходимые данные о том, как крыло мухи взаимодействует с окружающим воздухом, исследователи вновь обратились к помощи алгоритмов. Их вопрос состоял в том, может ли выявленная активность мышц и то, как она — по мнению нейросети — влияет на движение крыльев, позволить совершать те маневры, которые каждый из нас много раз видел в исполнении живых насекомых.
Проверка дала утвердительный ответ. Таким образом ученые, судя по всему, приблизились к пониманию, как именно летают мухи — и в том числе как им удается ускользать от человека.
Недавно исследователи выяснили, как мухам удается молниеносно взлететь. А еще почему мотыльков притягивает пламя
Работа ученых Калтеха и Института Говарда Хьюза — далеко не единственное исследование полета насекомых, опубликованное за последние годы и ставшее возможным благодаря новым технологиям.
Так, в 2021 году ученые из Кейс-Вестерн-Резерв университета (Кливленд) опубликовали в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences статью, целиком посвященную тому, что позволяет насекомым так быстро взлетать, в частности ускользая от занесенной над ними мухобойки.
С помощью скоростной камеры, позволяющей снимать от одной до трех тысяч кадров в секунду, исследователи подробно зафиксировали процесс взлета. Он требует сложной координации ног и крыльев, при этом некоторые виды в большей степени полагаются на толчок первых, другие же — на взмах вторых. Важную роль в координации этих движений исполняют специальные органы — жужжальца. Это, по сути, видоизмененные крылья, которые есть только у двукрылых. Они работают как гироскопы, позволяя насекомому понимать, в каком положении находится его тело. Если жужжальца удалить, это существенно осложнит координацию и помешает насекомым быстро взлетать.
Ученым удалось выявить, что наиболее приспособлены к быстрому взлету те виды, которые используют и взмах крыльев, и толчки ног. Также неожиданно выяснилось, что быстрее всего покидают насиженное место те виды мух, которые имеют наиболее толстое тело (так, рекордсменами оказались любимые генетиками плодовые мушки Drosophila melanogaster).
А в январе 2024 года международная группа ученых опубликовала в журнале Nature Communications статью, посвященную одной из давних загадок из мира насекомых — почему они летят на искусственный свет, хотя нередко гибнут из-за этого.
За многие века наблюдений исследователи предложили несколько гипотез, призванных объяснить такое поведение насекомых.
- Одни ученые предполагали, что искусственный свет запускает механизм эвакуации — мошки и мотыльки стремятся к нему как к щели в листве.
- Другие предполагали, что насекомые используют Луну в качестве ориентира и искусственный свет сбивает их с толку.
- Третьи говорили о притягательности теплового излучения от лампы, четвертые — о том, что искусственный свет ослепляет насекомых.
Поиск окончательного ответа был осложнен отсутствием достаточной технической возможности для трехмерной съемки поведения насекомых в условиях плохого освещения. Однако развитие техники дало ученым новые возможности. Вооружившись сверхчувствительными камерами и новейшими алгоритмами анализа изображения, они провели ряд экспериментов с полетом насекомых десяти разных отрядов в условиях естественного и искусственного освещения.
В результате эксперимента обнаружили, что насекомые вовсе не летят прямо на искусственный свет, но поворачиваются спиной к источнику света, при этом продолжая полет перпендикулярно ему.
По мнению исследователей, это объясняется тем, что насекомые действительно используют лунный свет для ориентации в пространстве: когда свет бьет им в спину, они понимают, что находятся в правильном положении относительно земли. Появление же искусственного источника освещения сбивает их с толку, заставляя совершать беспорядочные на первый взгляд движения, в результате чего насекомые оказываются в смертельной ловушке.
Кирилл Ольгин