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昆蟲如何進化到超高速飛行

時間：2025-12-12 07:04:24 來源：桑間濮上網作者：休閑閱讀：340次

蛾和蜜蜂飛行比較。昆蟲鳴謝:uux.cn/喬治亞理工學院/羅布·費爾特
（神秘的何進化地球uux.cn）據佐治亞理工學院：蚊子是飛行最快的昆蟲之一。它們每秒扇動翅膀800次以上，超高泉州全套服務（上門按摩）[微信1662+044-1662][提供外圍女上門服務快速安排面到付款不收定金就能達到它們的速飛速度，因為它們翅膀上的昆蟲肌肉扇動的速度比神經系統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化物理相互作用。這種神經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，速飛科學家們認為這四個群體分別進化出了這些超快翅膀，昆蟲但佐治亞理工學院和加州大學圣地亞哥分校的何進化研究表明，它們從一個共同的超高祖先進化而來。這一發現表明進化反復開啟和關閉這種特殊的速飛飛行模式。研究人員開發了物理模型和機器人來測試這些轉變是昆蟲如何發生的。
蛾成為解開飛行進化的何進化關鍵物種。與蚊子不同的超高泉州全套服務（上門按摩）[微信1662+044-1662][提供外圍女上門服務快速安排面到付款不收定金是，飛蛾的每一次振翅飛行都是通過同步激活它們的神經系統來調整飛行肌肉的節奏。與其他三種飛行昆蟲一樣，飛蛾的祖先進化出了異步飛行，但后來失去了這種能力。然而，即使數百萬年后，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換。為此，他們將飛行策略映射到物理學家認為的振蕩的兩種基本方式上。利用生物物理模型和機器人平臺，他們展示了這兩種策略是一個統一模型的兩個方面。如果進化調整一些參數，昆蟲可能會突然從同步飛行轉變為異步飛行，反之亦然。
“我們的發現對所有不同的實驗條件都非常穩健，”佐治亞理工學院的博士畢業生、論文的主要作者之一杰夫·高(Jeff Gau)說?！拔覀儚倪M化的角度回顧了4億年前古代昆蟲肌肉的行為。”
這項工作本質上是跨學科的，結合了物理學、進化生物學和機器人學的研究人員。該結果發表在10月份的《自然》雜志上的論文“在進化、生理學和機器人物理學中橋接兩種昆蟲飛行模式”。
同步的
許多昆蟲同步飛行，使神經系統脈沖與翅膀運動相匹配。但較小的昆蟲沒有這種機制，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增加到每秒100次，當你開始達到這個速度時，會有一種內在的速度限制，肌肉不能足夠快地收縮和放松，”佐治亞理工學院鄧恩家族早期職業生涯物理學和生物科學副教授西蒙·斯彭伯格說?！叭绻鼈冊噲D收縮和放松翅膀，它們就會開始重疊，然后最終鎖定?！?br>相反，較小的昆蟲已經進化到使用神經系統向肌肉發送活動脈沖，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生翅膀拍子。異步飛行使翅膀扇動的速度明顯快于神經系統每次激活和放松肌肉的速度。
開啟進化
雖然這種不同步現象自20世紀50年代就已為人所知，但科學家最初假設昆蟲碰巧單獨進化出了這種特性。然而，最近出現了關于不同物種如何相互進化的新的系統發育或家譜。利用這些系統發育，研究人員開發了模型來確定異步飛行是如何進化的。
他們的發現非常令人驚訝。異步不是單獨進化四次而是所有飛蟲只進化一次。隨著時間的推移，一些昆蟲群體自然失去了這種能力，轉而進行同步飛行，而另一些則保持了這種能力。
“這里最大的進化發現之一是，這些轉變是雙向發生的，而不是使用多個獨立的異步肌肉起源，實際上只有一個，”Seton Hill大學生物學助理教授布雷特·艾洛(Brett Aiello)說，他曾在Sponberg的實驗室擔任博士后研究員，幫助領導這項研究。"從那一個獨立的起源，發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:有規律地推動系統，像彈簧或鐘擺；相對于自我興奮，或者當系統機械中的某些東西被拉動時自動開始推回。
“如果你曾經在汽車經銷商那里看過那些跳舞的氣球人，它會反復上升和下降，”Sponberg說?！澳抢锇l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的空氣噴射，這是重力的一種權衡?！?br>實際上，異步飛行就像氣球一樣，因為已經準備好的肌肉就像一種自我興奮。為了研究這如何應用于昆蟲，研究人員將重點放在飛蛾上，飛蛾使用同步飛行，但仍然有異步飛行的機制。
建模飛蛾
制作蛾的數學模型和機器人系統展示了是什么導致蛾在兩種飛行方式之間轉換，并給出了為什么發生這種轉換的更完整的圖片。Gau開發了肌肉如何為飛行或伸展做準備的數學模型。一旦模型存在，加州大學圣地亞哥分校的機器人團隊就將其植入機器人物理模型。
“你不需要機器人來學習生物學，”加州大學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的機器人，會迫使你設身處地地為動物著想。”
這個團隊制造了兩個機器人。一個是模仿飛蛾的大型撲翼機器人，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動。
“這個大得多的機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導者。
他們還建造了一個小得多的撲翼機器人，在空氣中運行，以復制真實蛾的大小，并模仿哈佛大學的Robobee。機器人展示了研究人員開發的用于解釋這兩種飛行類型及其轉換的兩種模型在現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器人，并證明了一個機器人就可以再現進化的轉變。
只有研究人員擁有如此廣泛的專業知識和知識，才有可能在進化論、物理學和機器人學方面有所發現。
“這是一種跨學科的研究，對于找到對控制動物運動的自然過程的深刻而有力的理解非常重要，”艾洛說，“以及我們如何將其應用到機器人系統中。”

(責任編輯：休閑)

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