Рентгеновская 3D-съемка раскрыла движения мышц насекомых в полете

Мышечные сокращения мухи во время полёта ≈ один из сложнейших механизмов в природе

(иллюстрация Oxford University).

Все участвующие в полёте мышцы, спрятаны в груди насекомого. Чтобы рассмотреть их, учёным понадобилась придумать сложную рентгеновскую технологию

(иллюстрация Oxford University/YouTube).

Сложный механизм мышечных сокращений летающих насекомых служит источником вдохновения для биоинженеров и робототехников. Чтобы изучить в подробностях все тайны движения насекомых во время полёта, команда из Оксфордского университета использовала новую технику трёхмерного рентгеновского сканирования.

Над технологией видеосъёмки трудились учёные из Оксфорда, Имперского колледжа Лондона и Института Пауля Шеррера. Для этого был создан специальный источник мощного рентгеновского излучения, которое позволило заглянуть внутрь одного из самых сложных механизмов природы — сокращений мышц мясной мухи.

За то время, пока человек моргнёт всего один раз, красноголовая синяя падальница совершит до 50 взмахов крыльями. Взмахи при этом контролируются многочисленными крошечными рулевыми мышцами, каждая из которых тоньше человеческого волоса. Сами крылья насекомого не содержат мышц, и всё, что управляет полётом, скрыто внутри тела мухи.

"Грудные ткани, где спрятаны все мышцы, блокируют прохождение видимого света, но для рентгеновского излучения они доступны. Гоняя мух по кругу на экспериментальной установке с рентгеновским источником света Swiss Light Source, мы записали высокоскоростную рентгенограмму. Мышцы насекомого на наших кадрах можно рассмотреть с разных углов на всех этапах взмаха крыла. В конце мы объединили все изображения в трёхмерные визуализации, поскольку мухи двигали крыльями очень быстро, до 150 взмахов в секунду", — рассказывает соавтор исследования Раймунд Мокзо (Rajmund Mokso) из Института Пауля Шеррера.

Все участвующие в полёте мышцы, спрятаны в груди насекомого. Чтобы рассмотреть их, учёным понадобилась придумать сложную рентгеновскую технологию
(иллюстрация Oxford University/YouTube).

Более того, учёным удалось снять асимметричные движения мышц, которые совершает муха при поворотах во время полёта. О результатах своего исследования биологи написали статью, которая была опубликована в журнале PLOS Biology.

"Ключевой вопрос заключается в том, как крошечные рулевые мышцы мухи, которые составляют менее 3% от общей массы мышц, задействованных в полёте, влияют на более крупные мышечные структуры, которые контролируют весь процесс полёта", — говорит ведущий автор исследования Грэм Тейлор (Graham Taylor) из Оксфорда.

Учёные обнаружили, что у мух-падальниц в процессе эволюции развился механизм, похожий на дифференциал автомобиля. Как рассказывает Тейлор, в то время как энергия каждого крыла с каждой стороны остаётся той же самой, муха эффективно тормозит одной стороной, перемещая избыточную энергию в рулевую мышцу, которая поглощает механическую энергию.

"Мы надеемся, что наше новое понимание этой умной конструкции, которая производит большие, сложные трёхмерные движения с использованием "приводов", генерирующих лишь простые одномерные движения, вдохновит инженеров на создание микробеспилотников или любых других микромеханических устройств", — заключает Тейлор в пресс-релизе.

Также по теме:
Найдены сходства мышечной механики шмеля и человека
Шестерёнки впервые обнаружили в живом организме
Инженеры создали изогнутый миниатюрный фасеточный глаз
Создан робот-медуза, приводимый в движение клетками сердечной мышцы крысы
Корейские учёные создали механическую блоху
Учёные заставили синхронно сокращаться тысячи наномашин