Падение — еще не катастрофа

Ученые выяснили, как насекомые сопротивляются гравитации и умудряются возобновить полет даже из крутого пике.

Вытянутое туловище, огромный размах крыльев и переливающаяся окраска. Догадались, о ком идет речь? О стрекозах!

Оригинальность стрекоз не ограничивается внешностью. Достаточно вспомнить, что именно стрекозы, будучи одними из самых древних видов насекомых на планете, были первыми инноваторами в области воздушных полетов.

Ученые под руководством профессора Джейн Вон разгадали сложную задачку в области физики и нейронного контроля, чтобы выяснить, как стрекозы маневрируют в полете и умудряются выправить положение, даже если падают.

Исследование выявило цепочку механизмов, начиная со всех ее пяти глаз, и заканчивая крыльями.

Результаты опубликованы в издании Science.

Уже 20 лет для понимания механики полета насекомых Вон пользуется сложным математическим моделированием. В объяснении эволюции живых организмов физикой Вон пользуется наравне с генетикой.

Насекомые — самые многочисленные виды, и они первыми открыли для себя полет. А стрекозы — одни из древнейших насекомых,

— заявила Вон.

— Попытка понять, как они держатся в воздухе, позволит выяснить, как вообще развивалась способность летать; как именно у животных развивались нейросхемы для балансирования в воздухе и навигации в пространстве.

Проект запустили несколько лет назад, и началось все с трехмерного слежения за стрекозами на большой арене.

Когда мы наблюдали за стрекозами, то одновременно восхищались и расстраивались,

— заметила Вон.

— Траектории полета оказались сложными и непредсказуемыми. Стрекозы постоянно совершают маневры и меняют направление полета.

Для изучения динамики полета и внутренних алгоритмов управления Вон с коллегами разработали контролируемый поведенческий эксперимент, в котором стрекоз сбрасывали вниз головой.

Падение насекомых снимали на камеру, а затем наступила самая непростая часть исследования: нужно было расшифровать движения стрекоз. Ученым пришлось учесть много факторов — от аэродинамики взаимодействия крыльев и воздуха до реакции тела на махи крыльями.

В итоге ученые разработали компьютерную модель, которая имитирует полет стрекозы. Однако остался открытым еще один важный вопрос: как стрекозы узнают, что падают, и как им удается скорректировать траекторию?

Вон предположила, что в отличие от человека стрекозы полагаются на две зрительных системы — пару больших сложных фасеточных глаз, и три простых, которые называются оцеллами. Стрекозы оценивают свое положение в пространстве зрительно!

Ученые проверили гипотезу, покрыв глаза стрекоз красителем. Насекомым стало гораздо труднее восстанавливать полет при падении.

Эксперименты показали, что именно зрение прежде всего отвечает за запуск рефлекса у стрекоз, — заявила Вон.

Зрительные сигналы запускают серию рефлексов, которые стимулируют нейронные сигналы к четырем крыльям стрекозы. Крылья приводятся в движение набором прямых мышц, причем взмахи производятся асимметрично, что позволяет стрекозе перевернуться в воздухе после трех или четырех взмахов и продолжить полет. От начала падения до возобновления полета проходит около 200 мс.

Самое сложное было — определить, что ключевую роль играет небольшая асимметрия взмахов, — сообщила Вон.

Результаты исследования, возможно, помогут усовершенствовать полет искусственных летательных аппаратов, крен для которых часто заканчивается падением, а падение практически невозможно остановить.

15.05.2022