Owady posiadają na skrzydłach złożony system czujników służących do koordynacji lotu

Skuteczne manewrowanie w trakcie lotu

Każdy kto chociaż raz próbował złapać muchę w powietrzu, świetnie zdaje sobie sprawę z tego, że owady osiągnęły prawdziwe mistrzostwo w szybkim i skutecznym manewrowaniu w trakcie lotu. Jeszcze do niedawna naukowcy uważali, że ta niezwykła umiejętność to wynik wyłącznie świetnego rozwoju zmysłu wzroku. Ostatnie badania rzucają jednak nowe światło na tę kwestię.

Oczywiście, wiele grup owadów charakteryzujących się niezwykłymi zdolnościami lotnymi, takich jak muchówki czy ważki, posiada bardzo dobrze rozwinięte oczy złożone zapewniające im szerokie pole widzenia i skuteczne nawigowanie do celu. Istnieje jednak wiele grup owadów które świetnie radzą sobie w locie nawet w warunkach kiepskiego oświetlenia i to bez posiadania ogromnych oczu. Współczesne badania neuroanatomiczne owadów wskazują, że tempo przetwarzania informacji wzrokowych jest zbyt wolne, żeby można było wyłącznie na ich podstawie efektywnie korygować trajektorie lotu podczas gwałtownego przyspieszania lub latania w warunkach kiepskiej widoczności. Te wnioski skłoniły naukowców do szczegółowego badania innych potencjalnych mechanizmów które mogłyby odpowiadać za zdolność owadów do niezwykle szybkiego reagowanie na bodźce zewnętrzne w trakcie lotu.

Sieć czujników na skrzydłach maleńkich korników

W ostatnich latach, w tym kontekście, szczególną uwagę zwraca się na tzw. mechanoczułość czyli zdolność do przekształcenia bodźców fizycznych na określone sygnały nerwowe. Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez dra inż. Jakuba Goczała z Uniwersytetu Rolniczego im. H. Kołłątaja w Krakowie wykonał w ramach grantu przyznanego przez Narodowe Centrum Nauki (nr. projektu 2020/39/B/NZ9/01598) pierwszej jak dotąd ewolucyjnej analizy rozwoju struktur sensorycznych związanych z lotem na skrzydłach owadów. Pełna treść pracy dostępna jest na stronie wydawcy: https://www.nature.com/articles/s41598-024-57658-y

Jako grupę modelową wykorzystali do tego celu korniki, niewielkie chrząszcze chrakteryzujące się dużym znaczeniem ekologicznym i ekonomicznym jak również wyjątkowymi zdolnościami dyspersyjnymi. Naukowcy wykorzystali nowoczesny mikroskop optyczny 3D oraz skaningową mikroskopię elektronową do jakościowej i ilościowej charakterystyki tych struktur. Następnie przeanalizowali jak u 28 gatunków z tej grupy zmieniała się ilość struktur sensorycznych na skrzydłach w zależności od wielkości ciała, stopnia inwestycji w rozwój skrzydeł oraz relacji filogenetycznych.

Sensille włosowate na skrzydłach kornika. Autor: Jakub Dymek

Okazuje się, że na skrzydłach maleńkich korników znajduje się złożony system czujników monitorujących parametry kluczowe dla podejmowania decyzji w sprawie korekty kursu lotu i ułożenia skrzydeł. Co ciekawe, liczba tych czujników rośnie proporcjonalnie do wielkości skrzydła, a historia ewolucyjna ma tu raczej znaczenie drugorzędne. U gatunków posiadających duże skrzydła, niezależnie rozwinęła się wiesza ilość mechanoreceptorów. Zidentyfikowano dwa typu funkcjonalne takich czujników, receptory grzybkowate (campaniform sensilla) oraz receptory włosowate (trichoid sensilla). Te pierwsze monitorują naprężenia błony skrzydła, z kolei drugie reagują na kierunek i przepływ powietrza. Mechanoreceptory na skrzydłach korników rozmieszczone są strategicznie w kluczowych miejscach — głównie wzdłuż krawędzi natarcia skrzydła, w okolicach podstawy skrzydła oraz wzdłuż głównych żyłek. Dzięki temu latający owad otrzymuje szczegółowe informacje o swojej pozycji i przepływie powietrza wokół skrzydeł w czasie rzeczywistym.

Sensille grzybkowate na jednej z żyłek na skrzydłach kornika. Autor: Jakub Dymek

Przewaga „czucia” nad wzrokiem

Wykorzystanie relatywnie prostych czujników reagujących na bodźce mechaniczne do koordynacji podczas lotu ma szereg plusów. Mechanoreceptory na skrzydłach działają niemal błyskawicznie, natomiast przetwarzanie wizualne obrazów to złożony i bardziej czasochłonny proces. Sensille działają tak samo w każdych warunkach oświetlenia. System czujników mechanicznych dostarcza ponadto bardzo precyzyjnej informacji z konkretnych regionów aparatu lotnego, informując o siłach działających na powierzchnię skrzydeł, lokalnych deformacjach skrzydeł podczas lotu oraz kierunku i prędkości przepływu powietrza. Te dane są kluczowe do utrzymania stabilności i precyzyjnego manewrowania w locie. Wzrok dostarcza natomiast bardziej ogólnych informacji o otoczeniu, ale nie jest w stanie tak dokładnie informować o bieżących interakcjach skrzydeł z powietrzem.

 Potencjalne wykorzystanie w technice

Omawiane badania nie tylko dostarczają podstawowej wiedzy na temat czynników selekcyjnych warunkujących ewolucję struktur sensorycznych na skrzydłach owadów, ale mogą również stanowić inspirację dla projektantów i inżynierów podglądających sprytne rozwiązania występujące w naturze z nadzieją ich wykorzystania w praktyce. Wiedza zgromadzona podczas badań nad mechanoreceptorami na skrzydłach owadów może być potencjalnie wykorzystanie m.in. w aeronautyce. Rozwijająca się w ostatnich latach koncepcja autonomicznych dronów konstruowanych w myśl strategii „fly-by-feel” (dosłownie „lot przez czucie”) odwołuje się właśnie do wykorzystania prostych czujników mechanicznych, analogicznych do tych występujących u owadów latających, do sprawniejszej koordynacji lotu, co w znacznym stopniu pozwala na wyeliminowanie licznych ograniczeń związanych z koordynacją lotu w oparciu wyłącznie o wizję kamery.

Autor: dr inż. Jakub Goczał