kärpänen

Emme ole koskaan aikaisemmin nähneet näin yksityiskohtaisesti tapaa, millä kärpänen käyttää lihaksiaan siipiensä liikuttamiseen lennon aikana. Oxfordin yliopiston eläimien lentoon erikoistunut tutkimusryhmä onnistui paitsi saamaan suurnopeusvideolle lentävän kärpäsen, niin myös tekemään videon siitä kolmiulotteisella röntgentomografialla. Huimaa!

Tarkalleen ottaen tutkimusryhmään kuuluu jäseniä Oxfordin yliopiston lisäksi Imperial Collegesta ja sveitsiläisestä Paul Scherrer -instituutista, ja työhän käytettiin jälkimmäisessä olevaa tehokasta synkrotronia, joka tuotti tarpeeksi voimakasta röntgensäteilyä kuvaamiseen.

Ryhmän kärpäsen lentoa kuvaava artikkeli ilmestyi eilen PLOS Biology -julkaisussa.

Myös alla oleva video (New Scientist -lehden YouTubeen laittamana) näyttää erinomaisesti miten luonnon eräs monimutkaisimmista hermoista ja lihaksista koostuva järjestelmä toimii: miten pienikokoinen hyönteinen liikuttaa siipiään ja hallitsee lentoaan.

Kärpänen tekee siivillään noin 150 kertaa sekunnissa, ja jokaisen lyönnin aikana se käyttää paitsi suurimpia lihaksiaan, niin myös  useita pieniä ohjauslihaksia. Kärpäsen lähes koko keskiruumiin kokoiset isot lihakset siis tuottavat lentämiseen vaadittavan voiman, mutta ihmisen hiustakin ohuemmat pikkulihakset toimivat ohjaimina. Siivissä ei ole lihaksia, vaan kärpänen hallitsee lentoaan näillä pienillä lihaksilla, jotka kääntävät siipiä juuri oikealla tavalla.

"Näitä ohjauslihaksia ei näy plain silmin, mutta ne tulevat hyvin esiin röntgensäteilyllä", sanoo tutkija Rajmund Mokso PSI:stä.

"Saimme ne näkyviin koejärjestelyssämme, missä lentävää kärpästä voitiin pyörittää ympäri ja kuvata eri kuvakulmista suurnopeusradiografeilla. Kun koostimme saadut kuvat yhteen, saimme tulokseksi 3D-visualisoinnin siitä miten kärpänen käyttää lihaksiaan lentäessään."

Ohuen varren päähän kiinnitetty kärpänen reagoi pyörittämiseen ja koitti korjata lentosuuntaansa, jolloin erityisesti ohjauslihasten toiminta saatiin näkyviin. Tätä ei ennen ole onnistuttu näkemään.

"Ohjauslihasten massa on vain noin 3 % kaikista lentämiseen vaadittavista lihaksista", kertoo tutkimusta johtanut Graham Taylor, Oxfordin yliopiston professori. "Ihmettelimme sitä miten pikkulihakset pystyvät hallitsemaan niin hyvin suurten lentämiseen vaadittavien voimalihasten toimintaa. Voimalihakset toimivat symmetrisesti, mutta ne liikuttavat jokaista siipeä eri tahdissa, jolloin ohjauslihakset pystyvät saamaan käyttöönsä osan lentolihasten voimasta käyttöönsä siipien räpytysten välissä."

Tutkimus paitsi auttaa ymmärtämään paremmin hyönteisten lentoa, niin myös tekee mahdolliseksi mikromekaanisten laitteiden paremman suunnittelun.

"Kärpäsen siiven kiinnityskohta sen kehoon on ken ties eräs monimutkaisimmista ja kestävimmistä liikkuvista liitoksista luonnossa", väittää artikkelin ensimmäinen kirjoittaja Daniel Schwyn. "Luonnolta on kestänyt 300 miljoonaa vuotta sen kehittämiseen ja se poikkeaa dramaattisesti vastaavista laitteista, joita ihminen on tehnyt."

Olennaisinta mikromekaniikan kannalta löydössä on se, jokainen lihas supistuu ja venyy vain yhteen suuntaan, mutta niiden yhteisvaikutus synnyttää monimutkaisen siipien liikeoskillaation, joka on kolmiulotteinen ja muuttuu jatkuvasti lentotilanteen muuttuessa. Insinöörit haluaisivat myös käyttää pieniä moottoreita, jotka synnyttävät vain edestakaista liikettä, monimutkaisten liikesarjojen tekemiseen.

Videolla lentolihakset on merkitty punaisella, oranssilla ja keltaisella, ja pienemmät ohjauslihakset vihreällä, sinisellä ja violetilla. Kuvissa näkyy vain kärpäsen keskiruumis.

Viite: PLoS Biology, DOI: 10.1371/journal.pbio.1001823

Kesä ja kärpäset alkavat olla tältä vuodelta historiaa, mutta jos muistoihin on jäänyt mielikuva hyönteisten päämäärättömästä poukkoilusta, se on virheellinen. Kärpäsetkin osaavat suunnistaa. Tuore tutkimus on selvittänyt, miten niiden aivojen neuronit virittyvät ottamaan vastaan ympäristön visuaalisia ärsykkeitä – samaan tapaan kuin ihmisellä.

Howard Hughes Medical Instituten tutkijat Vivek Jayaraman ja Johannes Seelig ovat selvittäneet, miten banaanikärpäset tunnistavat ja muistavat näkemänsä. Taitonsa turvin ne osaavat hakeutua suojaisiin paikkoihin ja välttää vaaroja.

Kärpäsen visuaalisten suunnistustaitojen taustalla on niiden aivojen ydinalue, joka on nimeltään keskeinen kompleksi. Selkärankaisilla, myös meillä ihmisillä, sitä vastaa tyvitumake. Tutkijoiden mukaan kärpästen aivoissa olevat neuronit reagoivat samanlaisiin visuaalisiin peruspiirteisiin kuin ihmisten vastaavat neuronit.

Kärpäsaivojen keskeisen kompleksin toimintaa ei aiemmin ole tutkittu, mutta esimerkiksi perhosilla ja heinäsirkoilla sen on todettu mahdollisesti liittyvän suunnistamiseen valon polarisaation avulla. Torakoilla se puolestaan on tärkeässä asemassa tuntosarvista tulevien ärsykkeiden käsittelyssä.

Banaanikärpäsen kokoisen hyönteisen aivotutkimuksessa on omat ongelmansa, mutta tutkijat onnistuivat kehittämään menetelmän, jolla voidaan tarkkailla hermosolujen aktiivisuutta geneettisesti koodattujen proteiinien avulla. Kaksifotonimikroskoopilla pystytään havaitsemaan kalsiumionit, jotka liittyvät hermoimpulssin etenemiseen.

Tutkimuksen kohteena olleet kärpäset asetettiin ”virtuaaliareenalle”, jonka seinille voitiin heijastaa yksinkertaisia kuvioita. Erilaisten kuvioiden todettiin saavan aikaan erilaisia ärsykkeitä: esimerkiksi pystyjuovat aiheuttivat useimmissa neuroneissa voimakkaamman vasteen kuin vaakajuovat.

Lisäksi selvisi, että kullakin neuronilla on kärpäsen näkökentässä oma alueensa, johon tuleviin visuaalisiin ärsykkeisiin se reagoi. Nyt saadut tulokset eivät kuitenkaan kerro sitä, tunnistaako kärpänen näkemäänsä vai muuttuuko näköaistimus suoraan toiminnaksi.

Tutkimuksessa todettiin, että neuronit reagoivat ympäristön visuaalisiin ärsykkeisiin yhtä voimakkaasti riippumatta siitä, pysyttelikö kärpänen paikallaan vai liikkuiko se jalan. Lentäminen heikensi vastetta jonkin verran, mutta silti ulkoiset ärsykkeet olivat määräävässä asemassa kärpäsen käyttäytymisen suhteen.

Laajempana tavoitteena on selvittää aivoissa tapahtuvan informaation käsittelyn perusperiaatteita. Tutkijoiden toiveena on muodostaa selkeä kuva hermostollisista algoritmeista, jotka saavat aikaan aistihavaintojen pohjalta toimintaa.

Tutkimus on julkaistu 9. lokakuuta Nature-tiedelehdessä.

Kuva: Igor Siwanowicz, Johannes Seelig, Vivek Jayaraman.

Tämä ötökkä on Proceroplatus preziosii, aikaisemmin tuntematon kärpänen, joka on kotoisin Dominikaanisesta tasavallasta, ja joka on nimetty sen tutkimiseen suuresti vaikuttaneen professori Richard Preziosin mukaan.

Kärpänen löydettiin 16 miljoonaa vuotta vanhasta meripihkapalasesta ja sitä tutkinut Manchesterin yliopiston tutkija, tohtori Dave Penney päätti nimetä sen 20 vuoden ajan hyönteisiä tutkineen ja yli 40 aikaisemmin tuntematonta lajia löytäneen professorin mukaan.

Lisää tietoa kärpäsestä ja sen historiasta on Manchesterin yliopiston tiedotteessa "Scientist names new fly species after the Professor who has supported his work"