時間：2025-12-10 11:01:47 來源：桑間濮上網(wǎng) 作者：百科 閱讀：493次

蛾和蜜蜂飛行比較。昆蟲鳴謝:uux.cn/喬治亞理工學(xué)院/羅布·費(fèi)爾特
（神秘的何進(jìn)化地球uux.cn）據(jù)佐治亞理工學(xué)院：蚊子是飛行最快的昆蟲之一。它們每秒扇動翅膀800次以上，超高江門哪里有兼職外圍上門服務(wù)（微vx：365-*2895）就能達(dá)到它們的速飛速度，因為它們翅膀上的昆蟲肌肉扇動的速度比神經(jīng)系統(tǒng)告訴它們跳動的速度要快。
這種異步跳動來自飛行肌肉與昆蟲彈性外骨骼的何進(jìn)化物理相互作用。這種神經(jīng)指令和肌肉收縮的超高分離只在四種不同的昆蟲群體中普遍存在。
多年來，速飛科學(xué)家們認(rèn)為這四個群體分別進(jìn)化出了這些超快翅膀，昆蟲但佐治亞理工學(xué)院和加州大學(xué)圣地亞哥分校的何進(jìn)化研究表明，它們從一個共同的超高祖先進(jìn)化而來。這一發(fā)現(xiàn)表明進(jìn)化反復(fù)開啟和關(guān)閉這種特殊的速飛飛行模式。研究人員開發(fā)了物理模型和機(jī)器人來測試這些轉(zhuǎn)變是昆蟲如何發(fā)生的。
蛾成為解開飛行進(jìn)化的何進(jìn)化關(guān)鍵物種。與蚊子不同的超高江門哪里有兼職外圍上門服務(wù)（微vx：365-*2895）是，飛蛾的每一次振翅飛行都是通過同步激活它們的神經(jīng)系統(tǒng)來調(diào)整飛行肌肉的節(jié)奏。與其他三種飛行昆蟲一樣，飛蛾的祖先進(jìn)化出了異步飛行，但后來失去了這種能力。然而，即使數(shù)百萬年后，飛蛾仍然保留了異步肌肉收縮的能力。
盡管展示了進(jìn)化模式，研究人員仍然需要解釋昆蟲如何在這兩種飛行模式之間來回轉(zhuǎn)換。為此，他們將飛行策略映射到物理學(xué)家認(rèn)為的振蕩的兩種基本方式上。利用生物物理模型和機(jī)器人平臺，他們展示了這兩種策略是一個統(tǒng)一模型的兩個方面。如果進(jìn)化調(diào)整一些參數(shù)，昆蟲可能會突然從同步飛行轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒斤w行，反之亦然。
“我們的發(fā)現(xiàn)對所有不同的實驗條件都非常穩(wěn)健，”佐治亞理工學(xué)院的博士畢業(yè)生、論文的主要作者之一杰夫·高(Jeff Gau)說。“我們從進(jìn)化的角度回顧了4億年前古代昆蟲肌肉的行為。”
這項工作本質(zhì)上是跨學(xué)科的，結(jié)合了物理學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)和機(jī)器人學(xué)的研究人員。該結(jié)果發(fā)表在10月份的《自然》雜志上的論文“在進(jìn)化、生理學(xué)和機(jī)器人物理學(xué)中橋接兩種昆蟲飛行模式”。
同步的
許多昆蟲同步飛行，使神經(jīng)系統(tǒng)脈沖與翅膀運(yùn)動相匹配。但較小的昆蟲沒有這種機(jī)制，必須更努力地拍打翅膀，這只能在一定程度上起作用。這就是異步飛行的由來。
“隨著昆蟲變得越來越小，它們的翅膀拍擊次數(shù)增加到每秒100次，當(dāng)你開始達(dá)到這個速度時，會有一種內(nèi)在的速度限制，肌肉不能足夠快地收縮和放松，”佐治亞理工學(xué)院鄧恩家族早期職業(yè)生涯物理學(xué)和生物科學(xué)副教授西蒙·斯彭伯格說。“如果它們試圖收縮和放松翅膀，它們就會開始重疊，然后最終鎖定。”
相反，較小的昆蟲已經(jīng)進(jìn)化到使用神經(jīng)系統(tǒng)向肌肉發(fā)送活動脈沖，然后無論翅膀是否需要扇動，肌肉都會收縮。只要稍微拉伸一下，肌肉就會激活并自動產(chǎn)生翅膀拍子。異步飛行使翅膀扇動的速度明顯快于神經(jīng)系統(tǒng)每次激活和放松肌肉的速度。
開啟進(jìn)化
雖然這種不同步現(xiàn)象自20世紀(jì)50年代就已為人所知，但科學(xué)家最初假設(shè)昆蟲碰巧單獨(dú)進(jìn)化出了這種特性。然而，最近出現(xiàn)了關(guān)于不同物種如何相互進(jìn)化的新的系統(tǒng)發(fā)育或家譜。利用這些系統(tǒng)發(fā)育，研究人員開發(fā)了模型來確定異步飛行是如何進(jìn)化的。
他們的發(fā)現(xiàn)非常令人驚訝。異步不是單獨(dú)進(jìn)化四次而是所有飛蟲只進(jìn)化一次。隨著時間的推移，一些昆蟲群體自然失去了這種能力，轉(zhuǎn)而進(jìn)行同步飛行，而另一些則保持了這種能力。
“這里最大的進(jìn)化發(fā)現(xiàn)之一是，這些轉(zhuǎn)變是雙向發(fā)生的，而不是使用多個獨(dú)立的異步肌肉起源，實際上只有一個，”Seton Hill大學(xué)生物學(xué)助理教授布雷特·艾洛(Brett Aiello)說，他曾在Sponberg的實驗室擔(dān)任博士后研究員，幫助領(lǐng)導(dǎo)這項研究。"從那一個獨(dú)立的起源，發(fā)生了多次回到同步的修正."
模擬飛行的演變
Sponberg將飛行比作振蕩的物理概念，振蕩可能以兩種方式出現(xiàn):有規(guī)律地推動系統(tǒng)，像彈簧或鐘擺；相對于自我興奮，或者當(dāng)系統(tǒng)機(jī)械中的某些東西被拉動時自動開始推回。
“如果你曾經(jīng)在汽車經(jīng)銷商那里看過那些跳舞的氣球人，它會反復(fù)上升和下降，”Sponberg說。“那里發(fā)生的事情是它在振蕩，不是因為你定期戳它，而是你實際上在底部提供了連續(xù)的空氣噴射，這是重力的一種權(quán)衡。”
實際上，異步飛行就像氣球一樣，因為已經(jīng)準(zhǔn)備好的肌肉就像一種自我興奮。為了研究這如何應(yīng)用于昆蟲，研究人員將重點(diǎn)放在飛蛾上，飛蛾使用同步飛行，但仍然有異步飛行的機(jī)制。
建模飛蛾
制作蛾的數(shù)學(xué)模型和機(jī)器人系統(tǒng)展示了是什么導(dǎo)致蛾在兩種飛行方式之間轉(zhuǎn)換，并給出了為什么發(fā)生這種轉(zhuǎn)換的更完整的圖片。Gau開發(fā)了肌肉如何為飛行或伸展做準(zhǔn)備的數(shù)學(xué)模型。一旦模型存在，加州大學(xué)圣地亞哥分校的機(jī)器人團(tuán)隊就將其植入機(jī)器人物理模型。
“你不需要機(jī)器人來學(xué)習(xí)生物學(xué)，”加州大學(xué)圣地亞哥分校的副教授尼克·格拉維什說。“但制造一個受生物啟發(fā)的機(jī)器人，會迫使你設(shè)身處地地為動物著想。”
這個團(tuán)隊制造了兩個機(jī)器人。一個是模仿飛蛾的大型撲翼機(jī)器人，以更好地了解翅膀的工作原理，它被部署在水中，水的粘度類似于微小昆蟲在空氣中的運(yùn)動。
“這個大得多的機(jī)器人移動得慢得多的物理特性類似于一個小得多但移動得快得多的昆蟲，”加州大學(xué)圣地亞哥分校的博士研究生詹姆斯·林奇說，他是這篇論文的共同領(lǐng)導(dǎo)者。
他們還建造了一個小得多的撲翼機(jī)器人，在空氣中運(yùn)行，以復(fù)制真實蛾的大小，并模仿哈佛大學(xué)的Robobee。機(jī)器人展示了研究人員開發(fā)的用于解釋這兩種飛行類型及其轉(zhuǎn)換的兩種模型在現(xiàn)實世界條件下是否有效。實際上，他們建造了第一個能夠異步拍打的機(jī)器人，并證明了一個機(jī)器人就可以再現(xiàn)進(jìn)化的轉(zhuǎn)變。
只有研究人員擁有如此廣泛的專業(yè)知識和知識，才有可能在進(jìn)化論、物理學(xué)和機(jī)器人學(xué)方面有所發(fā)現(xiàn)。
“這是一種跨學(xué)科的研究，對于找到對控制動物運(yùn)動的自然過程的深刻而有力的理解非常重要，”艾洛說，“以及我們?nèi)绾螌⑵鋺?yīng)用到機(jī)器人系統(tǒng)中。”

(責(zé)任編輯：百科)

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