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Cuando una mosca despliega sus alas por primera vez, despliega una estructura de origami en una superficie rígida y funcional. El mecanismo responsable de este espectacular cambio de forma seguía siendo en gran parte desconocido, y ningún modelo físico podía explicarlo.
Investigadores del Instituto Universitario de Sistemas Térmicos Industriales (IUSTI, Universidad de Aix-Marsella/CNRS), del Instituto de Biología del Desarrollo de Marsella (IBDM, Universidad de Aix-Marsella/CNRS) y del Instituto de Investigación sobre Fenómenos Fuera del Equilibrio (IRPHE, Universidad de Aix-Marsella/Centrale Marsella/CNRS) han realizado el análisis mecánico de esta transformación y han construido un modelo que destaca la existencia de un punto de funcionamiento utilizado por el insecto para desplegar sus alas.
Para observar el despliegue de las alas de un insecto, el equipo trabajó con la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster), un pequeño insecto ampliamente estudiado en biología del desarrollo. Utilizando una lupa binocular, primero se filmó el proceso a escala macroscópica: las dos alas se transforman simultáneamente, pasando en unos diez minutos de una estructura 3D plegada a una superficie plana desplegada.
La organización interna del ala antes de su despliegue se reveló mediante una técnica de rayos X, la microtomografía, que permite reconstruir su estructura 3D: el ala está compuesta por dos placas de 6,5 µm de espesor, conectadas por una red de pilares de 7,5 µm de altura, y está recorrida por venas. A una escala aún más fina, la microscopía electrónica muestra que cada placa incluye una capa monocelular, cubierta por una capa rígida inicialmente plegada. Durante el despliegue del ala, las células se estiran mientras que la capa plegada se despliega sin alargarse, fijando así el tamaño de la estructura final.
(a) Instantáneas del despliegue de las alas de la mosca de la fruta.
(b) (i) Microtomografía por rayos X de las alas plegadas. (ii) Corte transversal que muestra los pliegues macroscópicos, la estructura de las venas (flechas blancas) y los pilares internos. (iii) Sección perpendicular que revela la organización hexagonal de los pilares. El esquema resume la estructura del ala: dos placas conectadas por pilares organizados en una red hexagonal.
(c) La hemolinfa, visualizada mediante perlas fluorescentes, se inyecta en todo el ala durante el despliegue.
(d) Medición de la presión interna de un insecto. El despliegue de las alas ocurre en el segmento sombreado a una presión constante.
© S. Hadjaje
Las variaciones de presión del flujo de hemolinfa se midieron durante el despliegue del ala: es el rápido aumento de esta presión lo que provoca el despliegue, mediante un accionamiento hidráulico, como en un colchón inflable en el que la presión guía la expansión en el plano de dos placas conectadas por pilares. También se midieron las características mecánicas del ala (resistencia, propiedades viscoelásticas).
Un modelo físico, basado en la estructura del ala y sus propiedades mecánicas, permitió realizar simulaciones numéricas del proceso de despliegue bajo la acción de la presión del flujo de hemolinfa. Estas revelaron que la mosca utiliza un punto de funcionamiento que permite una gran expansión con una variación de presión relativamente baja, gracias a la geometría del ala y a las características mecánicas del material.
Sin embargo, algunos aspectos del proceso aún deben ser dilucidados, como su irreversibilidad (una vez desplegada, el ala no se repliega) o la planitud del ala. Más generalmente, ¿es aplicable este mecanismo a otros insectos?
Además, fuera del ámbito de la biología, estas investigaciones enriquecen la comprensión de la mecánica de estructuras flexibles capaces de cambiar de forma. Así, abren nuevas perspectivas para aplicaciones en el campo de las estructuras desplegables o la robótica flexible.
Referencias:
Mechanics of Drosophila wing deployment.
Simon Hadjaje, Ignacio Andrade-Silva, Marie-Julie Dalbe, Raphaël Clément, Joël Marthelot.
Nature Communications, 11 de diciembre de 2024.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54527-0
Artículo disponible en el repositorio de acceso abierto HAL