Mecanismele uimitoare care controlează zborul libelulelor

Având corpurile alungite, o imensă anvergură a aripilor și culori fascinante, libelulele sunt o priveliște unică. Dar unicitatea lor nu se termină la aspect: zborul libelulelor este, de asemenea, controlat de mecanisme impresionate.

Un grup condus de Jane Wang, profesor de inginerie mecanică și fizică la Colegiul de Arte și Științe din cadrul Universității Cornell, a dezlegat fizica complicată și controalele neuronale care le permit libelulelor să se îndrepte în timp ce cad.

• Cercetătorii cred că ochii vertebratelor au fost inițial un singur ochi în vârful capului
• Cum se împerechează caracatițele: un braț care găsește și fertilizează femela

Potrivit Science Daily, cercetarea dezvăluie un lanț de mecanisme care începe cu ochii libelulei (în număr de 5) și continuă cu mușchii și înclinarea aripilor.

Lucrarea echipei, „Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex”, a fost publicată pe 12 mai în Science. Wang a fost coautor al lucrării împreună cu Dr. James Melfi și Anthony Leonardo, de la Institutul Medical Howard Hughes (HHMI) din Ashburn, Virginia.

De ce este studiat zborul libelulelor?

Timp de două decenii, Wang a folosit modele matematice complexe pentru a înțelege mecanica zborului insectelor. Pentru Wang, fizica este la fel de importantă ca genetica în explicarea evoluției organismelor vii.

„Insectele sunt cele mai abundente specii  și au fost primele care au descoperit zborul. Iar libelulele sunt unele dintre cele mai vechi insecte. Zborul libelulelor ne-ar putea oferi o perspectivă atât despre originea zborului, cât și despre modul în care animalele și-au dezvoltat circuite neuronale pentru echilibrare în aer și pentru navigare în spațiu”, a spus Wang.

Proiectul a început în urmă cu mai mulți ani, pe când Wang era în vizită la campusul de cercetare Janelia al HHMI, unde colaboratorul ei Leonardo monitoriza libelule în 3D într-o arenă mare. Acest lucru a inspirat-o să le examineze mai îndeaproape.

„Atunci când ne-am uitat la zborul libelulelor, am fost în același timp uimiți și frustrați. Traiectoriile sunt complexe și imprevizibile. Libelulele fac în mod constant manevre, fără a urma vreo direcție evidentă. Este misterios”, a spus ea.

Cum a fost realizat experimentul?

Pentru a studia această dinamică a zborului și algoritmii interni care le guvernează, Wang și Melfi au conceput un experiment de comportament controlat în care o libelulă a fost eliberată cu capul în jos dintr-o legătură magnetică, o premisă asemănătoare cu faimoasele experimente cu pisici în cădere din anii 1800, care au arătat cum anumite „reflexe cablate” le fac pe feline să aterizeze în picioare.

Wang și Melfi au descoperit că eliberând cu atenție o libelulă, fără a-i atinge picioarele, manevrele derutante ale insectei au urmat de fapt același model de mișcare, pe care cercetătorii au reușit să-l surprindă cu trei camere video de mare viteză care filmează la 4.000 de cadre pe secundă. Markere au fost puse pe aripile și pe corpul libelulei, iar mișcările au fost reconstruite prin intermediul unui software de urmărire 3D.

Apoi a venit partea cea mai dificilă: încercarea de a înțelege mișcările. Cercetătorii a trebuit să ia în considerare numeroși factori, de la aerodinamica instabilă a interacțiunilor aripilor și aerului până la modul în care corpul unei libelule reacționează la datul din aripi. Și să nu uităm de gravitație.

Cercetătorii au simulat zborul libelulelor

Wang și Melfi au reușit să creeze un model de calcul care a simulat cu succes acrobațiile libelulei. Dar a rămas o întrebare cheie: de unde știu libelulele că se află în cădere, astfel încât să își poată corecta traiectoria?

Wang a realizat că spre deosebire de oamenii, care au un simț inerțial, libelulele se pot baza pe cele două sisteme vizuale ale lor, o pereche de ochi compuși mari și trei ochi simpli numiți oceli, pentru a-și da seama cât de drepte sunt.

Ea și-a testat teoria acoperind ochii unei libelule cu vopsea și repetând experimentul. De data aceasta, libelula a avut mult mai multe dificultăți în a-și îndrepta zborul.

„Aceste experimente sugerează că vederea este prima cale dominantă care inițiază reflexul de redresare al libelulei”, a spus Wang.

Cât durează o redresare în zborul libelulelor?

Indiciile vizuale declanșează o serie de reflexe care trimit semnale neuronale către cele patru aripi ale libelulei, care sunt conduse de un set de mușchi direcți care modulează în consecință asimetria frecvenței aripilor. Cu doar 3 sau 4 mișcări de aripă, o libelulă răsturnată se poate rostogoli la 180 de grade și își poate relua zborul normal. Întregul proces durează aproximativ 200 de milisecunde.

„Ceea ce a fost dificil a fost să descoperim strategia de control cheie din datele experimentale. Ne-a luat foarte mult timp să înțelegem mecanismul prin care o cantitate mică de asimetrie a frecvenței poate duce la rotația observată. Asimetria cheie este ascunsă printre multe alte schimbări”, a spus Wang.

Combinația dintre analiza cinematică, modelarea fizică și simulările de zbor 3D le oferă acum cercetătorilor o modalitate neinvazivă de a deduce conexiunile cruciale dintre comportamentele observate ale unui animal și procedurile interne de care sunt controlate acestea. Informațiile pot fi folosite și de inginerii care doresc să îmbunătățească performanța mașinilor zburătoare mici și a roboților.

„Controlul zborului la o scară de timp de zeci sau sute de milisecunde este dificil de proiectat. Mașinăriile mici care dau din aripi pot acum decola și vira, însă le este greu să se mențină în aer. Le este greu să își revină dacă se înclină. Aceste probleme pot fi rezolvate studiind animalele”, a spus Wang.

Vă recomandăm să citiți și:

Caracatițele se autodistrug după împerechere, iar cercetătorii au găsit o posibilă cauză

Pisicile pot să-și amintească nume. Ce ne spune asta despre feline?

Care este secretul spectaculoaselor stoluri de grauri?

„O scară rulantă spre dispariție”. Jumătate din speciile de păsări cunoscute se confruntă cu declinul populației