مگس‌ها چگونه پرواز می‌کنند؟

من با برنامه پیشتازان فضا - Star Trek بزرگ شدم. ( سریال تلوزیونی در دهه شصت میلادی)، من عاشق پیشتازان فضا هستم. برنامه پیشتازان فضا من رو تشویق به دیدن موجودات عجیب کرد، موجوداتی از سرزمینهای دور اما اساسا، من متوجه شدم که میتونم اون موجودات عجیب رو روی زمین پیدا کنم.
و کاری که من میکنم مطالعه حشرات تمام فکرو ذهنم من را حشرات، مخصوصا حشرات پرنده گرفته است. من فکر میکنم، تکامل پرواز حشرات شاید یکی از مهمترین رویدادهای تاریخ حیات باشه. بدون حشرات، گیاهان گلدار بوجود نمی آمدند. بدون گیاهان گلدار، هیچ پستاندارمیوه خور باهوشی نبود که بیاد توی TED صحبت کنه
(خنده)
حالا دیوید، هیدهیکو و کتاکی داستان جالبی در مورد شباهتهای بین مگس میوه و انسان ارائه کردند، و شباهتهای بسیاری وجود داره، و بنابر این ممکن فکر کنید که اگر انسانها شبیه به پشه های میوه باشند، رفتار مورد علاقه یک پشه میوه یه چیزی مثل این باشه--- (خنده) اما من در بحثم نمیخوام به شباهتهای بین انسان و مگس میوه تاکید کنم، بلکه میخوام در مورد تفاوت هاشون صحبت کنم، و روی رفتاریهای تاکید کنم که مگس میوه تخصص زیادی در انجامش داره.
و من میخوام یک ویدئو با سرعت پخش بالا رو بهتون نشون بدم که از یک مگس با سرعت ۷٫۰۰۰ فریم در ثانیه بوسیله نور مادون قرمز تصویر گرفته شده، و در سمت راست، بیرون صفحه، یک شبه مهاجم الکترونیکی وجود داره که میخواد به سمت مگس بره. مگس مهاجم رو حس میکنه. و داره سعی میکنه که پاهاش رو به سمت بیرون باز کنه. و سعی میکنه با آرامش و حفظ تعادل خودشو به عقب بکشه تا بتونه جون خودشه حفظ کنه. حالا من به دقت این سکانس تصویر رو قطع کردم تا دقیقا به اندازه پلک زدن چشم انسان باشه، پس هنگامی که شما پلکتون به هم می‌زنید، مگس شبه مهاجم رو میبینه، موقعیت خودشو تخمین میزنه، و یک الگوی حرکتی رو آغاز میکنه تا بتونه فرار کنه، ۲۲۰ بار در ثانیه بال میزنه تا فرار کنه. من فکر میکنم که این یک رفتار شگفت انگیزه که نشون میده که مغز مگس چقدر سریع میتونه اطلاعات رو پردازش کنه.
حالا، پرواز- چطور پرواز میکنه؟ خوب، برای اینکه پرواز کنه، مثل هواپیمای آدما، شما به بالهایی نیاز دارید که بتونه نیروی آیرودینامیک کافی تولید کنه، شما به یک موتور احتیاج دارید که قدرت مورد نیاز برای پرواز رو تامین کنه، و به یک کنترل کننده احتیاج دارید، در اولین هواپیمای ساخت بشر، کنترل کننده در واقع همون مغز اورویل و ویلبر ( کسانی ک اولین هواپیما را ساختند) در داخل کابین خلبان .
حالا، این چه شباهتی به پرواز داره؟ من زمان زیادی رو در آغاز کارم برای این گذروندم که بفهمم که چطور بال های مگس میتونه نیروی لازم برای پرواز در هوا رو فراهم کنه. وممکنه شنیده باشید که مهندسین ثابت کردند که چطور زنبورهای گاوی(زنبورهای بزرگ) نمیتونند پرواز کنن. مشکل در اینجا بود که تصور میشد که بالهای حشره دقیقا شبیه بالهای هواپیما کار میکنند. اما اینطور نیست. و ما با ساختن مدلهای ایرودینامیکی عظیمی، از حشرات ربوتیکی و شبیه سازی بال زدن اونها در استخرهای روغن معدنی این مشکل رومرتفع کردیم جایی که میتونستیم نیروی آیرودینامیکی رو بررسی کنیم. و مشخص شد که حشرات بالهای خود را بسیار زیرکانه به حرکت درمیارند، با یک زاویه بسیار بالایی از (حالت) حمله یک ساختار در لبه بال ایجاد میکنن، یک ساختار شبیه به تورنادو بنام لبه جلویی گرداب، و این همون نیروی حلقوی هست که باعث میشه بالها نیروی کافی رو تولید کنند که حیوان بتونه در هوا بمونه. اما چیزی که واقعا خیلی جذاب به نظر می رسه این نیست که بالها دارای ساختار جذابیست. نکته هوشمندانه اینه که اونها چطور بالهای خودشونو به حرکت در میارن، که البته در نهایت توسط سیستم عصبی کنترل میشه، و این همان چیزی است که مگس ها را قادر می سازه تا مانورهای هوایی چشمگیری انجام بدن.
حالا، موتور پرواز چی میشه؟ موتور پرواز مگس ها بسیار جالب. اونها دو نوع عضله پروازی دارند: به اصطلاح عضله قدرتی، که با کشش فعال میشه، به این معنی که خود را فعال میکنه و نیازی به کنترل نداره بر اساس سیستم عصبی انقباض در انقباض. این توانایی برای تولید قدرت عظیم مورد نیاز برای پروازبوجود میاد، و بخش مرکزی مگس رو پر میکنه، بنابراین، وقتی که یک مگس با شیشه جلوی ماشینتون برخورد میکنه، چیزی که می بینید در واقع توان عضلانی. اما به پایه بال مجموعه ای از عضلات کنترلی کوچک متصل شده که اصلا قدرتمند نیستند بلکه بسیار سریع اند، و می تونند لولای بال رو بر اساس هر ضربه مجددا تنظیم کنه، و این همان چیزی که مگس رو قادر میکنه تا بال خودشو تغییر بده ودرنیروهای آیرودینامیکی تغییر ایجاد کنه و مسیر پرواز خود شو تغییر بده. و البته، نقش سیستم عصبی، کنترل همه اینهاست.
بنابراین بگذارید نگاهی به کنترل کننده ها بیندازیم. مگسها در انواع حسگرها سرآمدند که باعث مشکل تر شدن اوضاع میشه. اونها شاخکهایی دارند که باهاش بو حس می کنن و(جهت) باد تشخیص میدن. اونها چشم های پیچیدهای دارند که سریعترین سیستم بینایی توی دنیاست. اونها چشمهای دیگری هم در بالای سرشون دارن. ما نمیدونیم که کار اونها چیه. اونها روی بالهاشون حسگر دارن. بالهاشون از حسگرها پوشیده شده، از جمله حسگرهایی که تغییر شکل بال رو حس میکنه. اونها حتی میتونن با بالهاشون مزه ها رو بچشند. یکی از پیچیده ترین حسگرهایی که یه مگس داره یه ساختاری به اسم هالتر(افسار). هالترها در واقع نوعی ژیروسکوپ اند. این دستگاه ها حدود ۲۰۰ هرتز در طول پرواز به جلو و عقب، ضربه وارد میکنه، و حیوان می تونه از اونها برای حس کردن چرخش بدنش استفاده کنه و مانورهای دقیق وخیلی خیلی سریعی رو شروع کنه. اما همه این اطلاعات حسی لازمه که بوسیله مغز پردازش بشه، وبله، قطعا مگسها مغز دارند، مغزی با در حدود ۱۰۰٫۰۰۰ سلول عصبی.
اکنون افراد بسیاری در این کنفرانس هنوز هیچی نشده پشنهاد میدن که مگس های میوه می تونن در خدمت علوم اعصاب باشن چونکه اونها یک مدل ساده از عملکرد مغز هستند. و مطلب اصلی بحثم اینه که، من می خوام دوباره به سر (این حشره) برگردم. فکر نمی کنم مدل ساده ای از هرچیزی باشه. به نظرم این مگسها یک مدل فوق العاده اند. و اونها هستن که یه مدل فوق العاده برای مگس ها به حساب میان. (خنده)
بذارید مفهوم این سادگی رو بررسی کنیم. خب من فکر می کنم، متاسفانه، بسیاری از متخصصین اعصاب، و همه ما تا حدودی خود شیفته هستیم. وقتی ما درباره مغز صحبت می کنیم، طبیعتا مغز خودمونو تصور می کنیم. اما به یاد داشته باشید این نوع از مغز، که بسیار بسیار کوچک ترن به جای ۱۰۰ میلیارد سلول عصبی، از ۱۰۰٫۰۰۰ سلول عصبی تشکیل شدن-- اما این رایج ترین شکل مغز بر روی زمینه و ۴۰۰ میلیون سال قدمت داره. و انصاف که بگیم که ساده ست؟ خب، از این لحاظ که داری سلولهای کمتری سادست، اما آیا این معیار سنجش درسته؟ وبه نظر من این معیار سنجش درستی نیست. خب بگذارید کمی دربارش فکر کنیم. من فکر میکنم می بایست مقایسه کنیم-- (خنده)-- می بایست اندازه مغز رو با توجه به توانایی هاش مقایسه کنیم. خب بنظرم ما یه برگ برنده داریم، و برگ برنده ما نسبت کارنامه اخلاقی این مرد با سلولهای عصبی مغزش. ما می خواهیم تعداد برگ برنده های مگس میوه رو محاسبه کنیم. حالا کیا اینجا فکر میکنن برگ برنده های مگس میوه بیشتر؟
(تشویق)
حضار خیلی باهوشی داریم. بله، نابرابری همینه که من اون بدیهی فرض کردم.
من متوجه شدم که این موضوع کمی مضحک که بخوایم کارنامه اخلاقی آدمها رو با مگس مقایسه کنیم. اما اجازه بدید یه حیوان دیگه روبراتون مثال بزنم مثلا موش. یه موش ۱٫۰۰۰ برابر بیشتر از مگس سلول عصبی داره. من درباره موشها مطالعه داشتم، وقتی درباره موشها مطالعه میکردم، به آرومی صحبت می کردم. یدفعه یه موضوعی باعث شد تا روی مگس ها کار کنم. (خنده) من فکر می کنم اگر تاریخ طبیعی مگسها وموشها رو مقایسه کنید، واقعا قابل مقایسه ست. اونها باید دنبال غذا بگردن. اونها در گیر رابطه عاشقانه میشن. اونها رابطه جنسی دارن. اونها خودشونو از شکارچی ها پنهان می کنن. اونها خیلی چیزهای مشابه انجام می دن. اما من استدلالم اینه که مگسها کارهای بیشتری انجام می دن. برای مثال ، یه سکانسی رو بهتون نشون میدهم. و باید بگم که بخشی از بودجه کاریم رو ازارتش گرفتم، و حالا می خوام این سکانس محرمانه رو بهتون نشون بدم و نباید این موضوع رو با کسی خارج از این اتاق مطرح کنید، باشه؟ من ازتون می خوام که به ظرفیت بار انتهای دم مگس نگاه کنید. با دقت نگاش کنید، و متوجه می شید که چرا پسر شش ساله من حالا می خواد یه متخصص اعصاب بشه. یه لحظه صبر کنید. صبرکنید. بنابر این حداقل تصدیق می‌کنید که اگرچه مگسهای میوه به اندازه موشها باهوش نیستند، ولی هرچی باشه از کبوترها که باهوش ترند.(خنده)
حال، من می خواهم بفهمم که این موضوع فقط بحث اعداد نیست بلکه چالشی است برای مگسها برای محاسبه هر چیزی که مغز اونها باید با سلولهای عصبی بسیار کوچیک محاسبه کنه. خب این یه عکس قشنگ از سلول‌های عصبی داخل مغز یه موشه که از آزمایشگاه جف لیکمن تهیه شده، شما می تونید عکسهای شگفت انگیزی از این مغزها رو ببینید که اون در این بحث اونا رو به شما نشون میده. اما در گوشه بالا، در گوشه سمت راست، تصویری با همان مقیاس، از سلولهای داخلی مغز مگس رو می بینید. و من میخواهم بحث رو بازش کنم. و اون یک سلول عصبی زیبای پیچیده ست. بسیار بسیار کوچک، و چالش های بیوفیزیکی بسیاری وجود داره برای محاسبه اطلاعات با این سلول عصبی بسیار بسیار کوچک.
چه مقدار کمی سلولهای عصبی می تونن دریافت کنن؟ خب، به این حشره جالب نگاه کنید. تا حدی شبیه مگسه. بال داره، چشم داره، شاخک داره، پا داره، تاریخچه حیات پیچیده، اون یک انگل، اون می پره تا کرم ابریشم پیدا کنه و بعد انگل زایی کنه، اما نه تنها مغزش هم اندازه دونه نمک، که در مقایسه با مغز مگس میوه، هم اندازه دونه نمک است. در اینجا موجودات زنده دیگری با همین مقیاس وجود داره. این حیوان به اندازه یک پارامیسیوم و یه جانور تک سلولی، و مغزش دارای هفت هزار سلول عصبی که بسیار کوچک است-- شما میدونید اینها به عنوان سلولهای بدنی شناخته می شن تا حالا شنیده بودید، هسته مرکزی سلولهای عصب اونها کجاست؟ این حیوون اونا رو از بین می بره چون جای زیادی رو اشغال می کنن. خُب این درسی از خطوط مقدم علوم اعصاب است. از نظر من یکی از خطوط مقدم علم اعصاب اینه که بفهمیم که چطور مغز اونا کار میکنه
اما بگذارید در این باره فکر کنیم. چطور میتونیم با مقدار کمی ازسلول های عصبی کارهای زیادی انجام بدیم؟ به نظرم، از دید یه مهندس، این موضوع دارای چند بخشه. شما می تونید یه سخت افزار داشته باشید واز اون سخت افزار برای چیزهای مختلف در زمان های مختلف استفاده کنید، و یا بخش های مختلفی از یه سخت افزار داشته باشید که کارهای مختلفی انجام بده. و اینها دو مفهومی هستن که می خوام دربارشون تحقیق کنم. اما این مفاهیمی که میخوام بگم مفاهیمی نیستند که من دنبالشون می گردم، اما مفاهیمی اند که در گذشته ارائه شدن.
یکی از این ایده ها از نوع جویدن خرچنگ ها برداشت شده. البته منظورم جویدن خوده خرچنگ نیست. من در بالتیمور بزرگ شدم و خیلی خوب خرچنگ می جوم. اما من دارم درباره عمل جویدن خود خرچنگ ها صحبت می کنم. نوع جویدن خرچنگها بسیار جذاب است. خرچنگها این ساختارپیچیده رو زیر لاکشون دارن که به اسم آسیاب معده شناخته میشه غذا ها رو به روشهای مختلف خرد میکنه. و این فیلم آندوسکوپی این ساختار را نشان می‌دهد. نکته جالب اینه که این بخش به وسیله مجموعه ای از سلولهای بسیار ریز کنترل میشه و می تونه مجموعه گسترده ای از الگوهای متفاوت حرکتی رو تولید کنه، و دلیل اینکه می تونه این کارو بکنه اینه که این مجموعه سلولهای عصبی کوچک در خرچنگ درواقع مملو از تعداد بسیار بسیار زیادی متغیرهای سلولهای عصبی ست. شما قبلا هم درباره متغیرهای سلولهای عصبی چیزهایی شنیده بودید. متغیرهای سلولهای عصبی بیشتری هم وجود داره که تغییر ایجاد می‌کنند،که در این ساختار بیشتر از رشته های عصبی استفاده میشه تا سلولهای عصبی، و اونها میتونن مجموعه الگوهای پیچیده تری رو ایجاد کنند. و این سیستم شگفت انگیز ایو ماردر و تعداد کثیری از همکارانش مورد بررسی قرار دادن که نشون میده چطور خوشه های کوچک ترسلولهای عصبی می تونه کارهای بسیار بسیار بسیار زیادی انجام بده بخاطر متغیرهای عصبی که می تونه به صورت لحظه به لحظه رخ بده. بنا براین در زمان به چند بخش تقسیم میشه. شبکه سلولهای عصبی رو تصور کنید که تنها یک متغیر عصبی داره. شما یه مجموعه از سلولها رو انتخاب می کنید که یک نوع رفتار انجام میده، یه متغیر عصبی دیگه، و یه مجموعه سلولهای دیگه یه الگوهای متفاوت، ومیتونید تصور کنید که شما میتونید یه سیستم بسیار بسیار پیچیده رو ملاک قرار بدید.
مدرکی وجود داره که مگسها این کارو انجام میدن؟ خب، برای سالها در آزمیشگاه من و دیگر آزمایشگاه های سراسر جهان ما رفتار مگس رو در محیط شبیه سازی پرواز مورد بررسی قرار دادیم. شما می تونید مگس ببندینش به یه چیز چسبناک. شما می تونید نیروی آیرودینامیکی که ایجاد می کنه رو بسنجید. شما می تونید بذارید مگس در یه صفحه نمایش پرواز کنه ویه بازی ودیویی کوچیک انجام بده. خب اجازه بدید یه سکانس کوچکی از اینو بهتون نشون بدم. این یه مگس نمای بزرگی ازمگس زیر نور مادون قرمز ودر محیط شبیه سازی پرواز و این بازی که مگس دوست داره انجام بده. شما اجازه می دید که با یه بند کوچیک هدایت بشه، و اونها تا همیشه با این بند کوچیک هدایت میشن. این بخشی از سیستم هدایت بصری اونهاست. اما بسیار، بسیار به تازگی، تغییر این نوع از عرصه رفتار فیزیواوژیکی میسر شده. پس این مقدمه‌ای برای یکی ا شاگردان ز فوق دکترای سابق من به اسم گبی میمن که اکنون در راکفلر، در بخش پیشبرد کار میکنه، و این در واقع یه شبیه ساز پرواز اما تحت شرایطی که شما واقعا بتونید یه الکترود به مغز مگس بچسبونید و سلول های عصبی شناخته شده ژنی رو در مغز مگس ثبت کنید. و این همان چیزی است که در یکی از این آزمایشات به نظر می‌رسه. و این یه سکانس از یکی دیگه از آزمایشگاه های فوق دکترا بتینا اشنل. اثر سبز در قسمت پایین، نشانگر پتانسیل غشایی سلولهای عصبی مغز مگس، و شما می بینید که مگس شروع میکنه به پرواز، و مگس در واقع چرخش الگوی بصری خودشو بوسیله حرکت بالهاش کنترل می کنه، و شما می تونید ببینید که این سلولهای عصبی داخلی بهنگام پرواز مگسها به الگوی حرکتی بالها واکنش نشون میده. در واقع ما برای اولین بار تونستیم سلول های عصبی مغز مگس در حین اجرای رفتار های پیچیده مثل پرواز ثبت کنیم. و یکی از درسهایی که ما یاد گرفتیم این بود که فیزیولوژی سلولهایی که ما سالهای متمادی در باره مگس های غیر فعال بررسی کردیم شباهتی بین فیزیولوژی سلولهای مگسهایی که در گیر رفتارهای فعالی مانند پرواز کردن، راه رفتن و مانند اینهاست وجود نداره. و چرا فیزیولوژی شون فرق داره؟ خب، معلوم شد که متغیرهای سلولهای عصبی شون درست مثل متغیرهای سلوهای عصبی در مجموعه سلولهای عصبی بسیار کوچک خرچنگ این یه عکس از سیستم آکتوپومین. آکتوپومین یه متغییر سلول عصبی که به نظر میاد نقش مهمی در پرواز ودیگر رفتارها انجام میده. اما این تنها یکی ازچندین متغیرهای سلولهای عصبی موجود درمغز مگس همینطوری که ما یاد می گیریم، من واقعا فکر میکنم، تمام مغز مگس مثل یه گونه بزرگی ازمجموعه سلولهای ستوماتیگاسریک stomatogastric از کار در بیاد و این یکی ازدلایلی که با سلولهای عصبی بسیار کم می تونه کارهای زیادی انجام بده
حالا، ایده بعدی، راه دیگری برای چند بخشی کردن چند بخشی کردن در فضا، داشتن بخشهای مختلفی از سلولهای عصبی که همزمان چیزهای مختلفی انجام بده. خب، در این جا دو نوع سلولهای عصبی متعارف وجود داره از مهره دارها و بی مهره ها یه سلول عصبی هرمی از رامونی کا خال، سلولهای دیگر در سمت راست سلوهای عصبی داخلی غیر افزایشی‌اند، و این کار آلن واتسون و مالکوم باروز در سالها پیش، و مالکوم باروز به یه ایده جالب رسید که بر این اساس این سلول های عصبی از ملخ ها دارای پتانسیل فعالیت آتشین نیست. اون یه سلول غیر افزایشی. بنابر این یه سلول معمولی، مثل سلولهای عصبی مغز ما ناحیه ای داره به نام دندریت ها که ورودی رو دریافت، و اون ورودی روی هم انباشته میشه و پتانسیل فعالیت تولید می کنه که به پائین اکسون میره و فعال میشه تمامی خروجی بخش سلول عصبی رو فعال میکنه. اما سلول های غیر افزایشی در واقع کمی پیچیده هستند چون اونها می تونن هم سیناپس های ورودی داشته باشن وهم سیناپس های خروجی که همشون به هم پیوستن و هیچ پتانسیل عمل واحدی وجود نداره که هم زمان همه خروجی ها رو هدایت کنه. پس این امکان وجود دارد که شما محفظه محاسباتی داشته باشید که اجازه بده بخش های مختلف سلول عصبی همزمان کارهای مختلفی انجام بده
پس این مفاهیم اولیه از چند کار کردی بودن در زمان و چند کارکردی بودن در فضا، که فکرم می کنم که این چیزها در مغز ما هم صدق می کنه، اما دراین مورد فکر می کنم که حشرات حرف اول می زنن پس امیدوارم دفعات بعد نظر تون به حشرات تغییر بدین، من از این بالا می خوام بگم، خواهش می‌کنم قبل از اینکه اونارو بکشید کمی دربارش فکر کنید.
(تشویق)