Las estructuras biológicas suelen parecer más complicadas de cerca, y el ala de la mosca no es una excepción. La maniobrabilidad depende de una bisagra: una “bisagra biomecánica única e increíblemente compleja” que es flexible pero fuerte. Un nuevo estudio revela sus complejidades con un detalle sin precedentes.

El Dr. Michael Dickinson de Caltech ha estado fascinado por el vuelo de los insectos durante gran parte de su carrera. Dickinson, profesor de bioingeniería y aeronáutica, incluso ha construido pequeños simuladores de vuelo y túneles de viento para que las moscas de la fruta observen sus capacidades. Su último trabajo sobre el vuelo de los insectos, anunciado por Caltech, fue publicado en Nature por Melis, Siwanowicz y Dickinson. Nature publicó un vídeo el mismo día sobre los hallazgos. Va acompañado del titular: «La IA y la robótica desmitifican el funcionamiento del ala de una mosca». Se anima a los lectores a ver el vídeo, aunque en inglés, de 5 minutos en YouTube como introducción a este artículo.

“Apéndices totalmente originales”

Cabe destacar en la introducción la afirmación de que las alas de los insectos son “apéndices totalmente originales”, a diferencia de las alas de las otras tres clases de voladores motorizados (pájaros, murciélagos y pterosaurios), que se supone que son extremidades modificadas. Esto hace que sea difícil afirmar que las alas de los insectos “evolucionaron” a partir de estructuras preexistentes. El vídeo muestra una animación giratoria de al menos 15 piezas en la “bisagra bioquímica única e increíblemente compleja” que se muestra en funcionamiento. Las partes duras, llamadas escleritos, encajan entre sí mediante articulaciones flexibles como piezas de un desafiante rompecabezas tridimensional.

El equipo de Dickinson pudo estudiar por primera vez el movimiento de la bisagra en moscas vivas. Los investigadores combinaron imágenes y aprendizaje automático para comprender las interacciones funcionales de todas las partes de la bisagra, «un gran desafío» para criaturas tan pequeñas que se mueven rápidamente y despegan en un abrir y cerrar de ojos. «Los insectos son algunos de los voladores más ágiles del planeta», dice el narrador. La recopilación de datos incluyó la filmación de 70.000 aleteos individuales con cámaras de alta velocidad que grababan a 15.000 fotogramas por segundo. Luego, después de moldear facsímiles de cada pieza individual para su estudio y crear modelos informáticos de las interacciones, el equipo de Caltech construyó un modelo informático de la bisagra y trató de imitarlo con robótica.

Sólo 12 neuronas controlan el vuelo de los insectos, unidas a 12 músculos que responden a las órdenes de estas neuronas. Algunos comandos inician el aleteo y otros modifican los comandos para el repertorio de acrobacias aéreas de la mosca. Ciertamente, el todo funcional resultante es más que la suma de las partes, porque los músculos interdependientes, como un grupo de danza, trabajan de manera cooperativa y están ligados a los sistemas sensoriales de la mosca.

Para saber qué músculos operan qué partes de la bisagra, el equipo diseñó genéticamente moscas con proteínas fluorescentes que podían ver iluminadas en los videos en cámara lenta. Se utilizaron datos sobre las entradas (los músculos) y las salidas (los movimientos de las alas) para entrenar una red neuronal. El resultado, dice el narrador, fue «un modelo simulado que podían manipular de maneras que serían imposibles en la vida real». Aun así, no entendieron del todo cómo se traducen las órdenes en “el tipo de hazañas acrobáticas en las que los insectos son tan buenos”.

Ahí es donde entró la robótica. Construyeron un «modelo de aleteo» que podían programar con los comandos que habían descifrado. Les permitió mapear las actividades musculares con las fuerzas de vuelo resultantes. La combinación entre el robot y las moscas reales fue bastante buena. «No es el cuadro completo», confiesa el narrador, pero

La variedad de hipótesis a las que condujo este trabajo podría, eventualmente, proporcionar una idea de las innovaciones que subyacen a la evolución de todos los insectos voladores. [Énfasis añadido.]

¡Alerta! ¡Mosca en la sopa!

La sopa de la explicación científica acaba de estropearse con esa línea final. A menudo me desconciertan declaraciones como ésta en artículos de revistas. Se mostrarán elocuentes sobre la sofisticación de alguna maravilla biológica, sólo para estropear el asombro con la afirmación de que evolucionó mediante procesos materiales accidentales. Incluso después de admitir que el modelo robótico creado con el diseño inteligente de Caltech equivalía a un pobre sustituto de la mosca viviente, el narrador terminó con una nota darwiniana.

Como de costumbre, cualquier “visión de las innovaciones que subyacen a la evolución” de las maravillas biológicas se expresaba en tiempo futuro con un pagaré. En el artículo adjunto sobre la investigación en el mismo número de Nature, Tanvi Deora coincidió:

Los insectos alados, incluidas las mariposas, las avispas y los escarabajos, son algunos de los animales más exitosos del planeta, en términos de número de especies y de individuos. Parte de este éxito proviene de su capacidad para volar y de la evolución de las alas, que han evolucionado como un nuevo tipo de apéndice, independientemente de las extremidades. El ala está conectada al cuerpo del insecto a través de una exquisita bisagra.

Deora terminó con un último pulido del brillo narrativo, prometiendo que la investigación “nos permitirá comprender la bisagra del ala, así como su importancia evolutiva para los mecanismos de control de vuelo”.

¿Qué piensan realmente los evolucionistas en el laboratorio?

Me parece que Dickinson merece un Premio Nobel por la diligencia de su trabajo científico. En artículos anteriores he sentido su asombro por las moscas de la fruta hasta el punto de instar a sus lectores a “pensar antes de aplastarlas”. ¿Se da cuenta el matamoscas de lo que acaba de aplastar? ¿Es como Bambi contra Godzilla o el Dr. Fake bombardeando la Torre Eiffel? No es que Dickinson evitara que el matamoscas cometiera el acto cobarde, o que nunca aplastaría una mosca él mismo, pero la declaración implica un sentimiento de melancolía al ver algo tan maravilloso destruido. Sin embargo, al ser miembro del mundo académico, no tuvo otra opción que decir: «evolucionó».

«La bisagra del ala de la mosca es quizás la estructura más misteriosa y subestimada en la historia de la vida», dice Michael Dickinson, profesor Esther M. y Abe M. Zarem de Bioingeniería y Aeronáutica de Caltech, y director ejecutivo de biología e ingeniería biológica. «Si los insectos no hubieran evolucionado esta improbable articulación para batir sus alas, el mundo sería un lugar muy diferente, sin plantas con flores ni criaturas familiares como pájaros, murciélagos y probablemente humanos».

Afortunadamente, el Dr. Dickinson está motivado por otros objetivos más nobles:

El objetivo final es comprender la conexión neurobiológica entre el cerebro de una mosca y el movimiento de sus alas. “La bisagra del ala es sólo el hardware; la verdadera pasión en nuestro laboratorio ha sido la interfaz cerebro-cuerpo”, dice Dickinson. “Queremos comprender los circuitos entre la biomecánica y la neurobiología. Muy pocas veces en la evolución un animal ha tenido una forma de locomoción muy exitosa (caminar) y simplemente agregó otra: volar. Esto significa que los cerebros de los insectos deben tener todos los circuitos para regular medios de movimiento completamente diferentes”.

Sin la muletilla «evolución», estas motivaciones podrían ser adoptadas por defensores del diseño con conocimientos de ingeniería y, creo, con más entusiasmo y aprecio. No faltará trabajo por hacer. Este proyecto involucró una simple mosca, pero ¿qué pasa con los cientos de miles de variaciones en las alas de otros insectos? Desde grandes escarabajos hasta pequeños mosquitos, desde libélulas hasta mariposas monarca, es posible que nunca se exploren por completo las implementaciones del diseño de alas en los insectos.

Y sí, podrás aplastar la mosca que invadió tu casa sin sentirte culpable. Hay muchas más de ellas en el lugar de donde vino. Pero si el mundo tuviera mil millones de Mona Lisas o 5 mil millones de teléfonos inteligentes (los tiene), ¿la familiaridad generaría desprecio? ¿No reconoceríamos el arte o la ingeniería de artículos bien diseñados, incluso si fueran algo común?

La próxima vez que una mosca se pose en el exterior de la ventana, tal vez valga la pena mirarla por un momento y pensar en todos los años de trabajo que les llevó a los científicos de Caltech tratar de comprender una pequeña parte: la “única e increíblemente compleja Bisagra biomecánica” que conecta las alas con los músculos. Tómate otro momento para ver al pequeño realizar maniobras que asombrarían a un temerario en un espectáculo aéreo. Contemple los complejos ojos, antenas y extremidades. Observa cómo la mosca aterriza sobre el cristal y sube sin caerse. Comprender cualquiera de esas cosas podría ocupar la carrera de toda la vida de un ejército de bioingenieros.

Artículo publicado originalmente en inglés por David Coppedge en Evolution News & Science Today