Уроки из того, как стрекозы выпрямляются при падении

Стрекозы со своими вытянутыми телами, огромным размахом крыльев и радужной окраской представляют собой уникальное зрелище. Но их оригинальность не ограничивается их внешним видом:как один из старейших видов насекомых на планете, они являются одним из первых новаторов воздушных полетов.

Теперь группа под руководством Джейн Ванг, профессора машиностроения и аэрокосмической техники Инженерного колледжа Корнелльского университета, распутала запутанную физику и нейронное управление, которые позволяют стрекозам выправляться во время падения.

Исследование выявило цепочку механизмов, которая начинается с глаз стрекозы — всех пяти — и продолжается через мышцы и шаг крыльев.

Статья группы «Механизмы восстановления в рефлексе выпрямления стрекозы» была опубликована 12 мая в журнале Science. . Ван написал статью в соавторстве с Джеймсом Мелфи, доктором философии, и Энтони Леонардо из Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) в Эшберне, штат Вирджиния.

В течение двух десятилетий Ван использовал сложное математическое моделирование, чтобы понять механику полета насекомых. Для Ванга физика так же важна, как и генетика, для объяснения эволюции живых организмов.

«Насекомые — самые распространенные виды, и они первыми открыли для себя воздушный полет. А стрекозы — одни из самых древних насекомых», — сказал Ван. «Попытка посмотреть, как они выпрямляются в воздухе, даст нам представление как о происхождении полета, так и о том, как у животных развились нейросхемы для балансировки в воздухе и навигации в пространстве. Их траектории сложны и непредсказуемы. Стрекозы постоянно совершают маневры, не следуя какому-то очевидному направлению. Это загадочно».

Чтобы изучить эту динамику полета и управляющие ею внутренние алгоритмы, команда разработала контролируемый поведенческий эксперимент, в котором стрекозу сбрасывали вниз головой с магнитной привязи — предпосылка, мало чем отличающаяся от знаменитых экспериментов с падающими кошками в 1800-х годах, которые показали, как определенные «запрограммированные рефлексы» приводили к тому, что кошки приземлялись на лапы. Они обнаружили, что при осторожном выпуске стрекозы без контакта с ногой сбивающие с толку маневры насекомого на самом деле следовали той же схеме движения, которую исследователи смогли зафиксировать с помощью трех высокоскоростных видеокамер, снимающих со скоростью 4000 кадров в секунду. На крылья и тело стрекозы были нанесены маркеры, а движения были реконструированы с помощью программного обеспечения для 3D-отслеживания.

Исследователям пришлось учитывать множество факторов — от нестабильной аэродинамики взаимодействия крыльев и воздуха до того, как тело стрекозы реагирует на взмахи крыльев. Есть еще та привередливая сила, с которой всем земным существам рано или поздно придется столкнуться:гравитация.

Ван и Мелфи смогли создать вычислительную модель, которая успешно имитировала высший пилотаж стрекозы. Но остался один ключевой вопрос:как стрекозы узнают, что они падают, чтобы скорректировать траекторию?

Ван понял, что, в отличие от людей, обладающих инерционным чувством, стрекозы могут полагаться на свои две зрительные системы — пару больших сложных глаз и три простых глаза, называемых глазками, — для оценки своего вертикального положения.

Она проверила свою теорию, замазав стрекозе краской глаза и повторив эксперимент. На этот раз стрекозе было гораздо труднее восстановиться в полете.

«Эти эксперименты показывают, что зрение — это первый и доминирующий путь, который запускает восстанавливающий рефлекс стрекозы», — сказал Ван.

Этот визуальный сигнал запускает серию рефлексов, которые посылают нейронные сигналы на четыре крыла стрекозы, которые приводятся в действие набором прямых мышц, которые соответственно модулируют асимметрию высоты левого и правого крыльев. С тремя или четырьмя взмахами крыльев кувыркающаяся стрекоза может перевернуться на 180 градусов и продолжить полет в правильном направлении. Весь процесс занимает около 200 миллисекунд.

«Что было сложно, так это определить ключевую стратегию управления на основе экспериментальных данных», — сказал Ван. «Нам потребовалось очень много времени, чтобы понять механизм, с помощью которого небольшая асимметрия высоты тона может привести к наблюдаемому вращению. Ключевая асимметрия скрыта среди многих других изменений».

Сочетание кинематического анализа, физического моделирования и 3D-симуляции полета теперь дает исследователям неинвазивный способ сделать вывод о важных связях между наблюдаемым поведением животного и внутренними процессами, которые его контролируют. Эти идеи также могут быть использованы инженерами, стремящимися повысить производительность небольших летательных аппаратов и роботов.

«Управление полетом в масштабе десятков или сотен миллисекунд сложно спроектировать», — сказал Ван. «Маленькие летающие машины теперь могут взлетать и поворачиваться, но им все еще трудно оставаться в воздухе. Когда они наклоняются, это трудно исправить. Одна из задач, которые приходится делать животным, — решать именно такие задачи».