Теперь группа, возглавляемая Джейн Ванг, профессором машиностроения и физики в Колледже искусств и наук, распутала сложную физику и нейронные элементы управления, которые позволяют стрекозам выпрямляться во время падения.

Исследование раскрывает цепочку механизмов, которая начинается с глаз стрекозы - всех пяти из них - и продолжается через ее мышцы и высоту крыла.

Статья команды "Механизмы восстановления в рефлексе выпрямления стрекоз", опубликованная 12 мая в Наука Ван был соавтором статьи с Джеймсом Мелфи, доктором философии 15-го года, 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 Вана 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 взглянуть на то, как они ориентируются в воздухе, дала бы нам представление как о происхождении полета, так и о том, как животные развили нейросхемы для балансирования в воздухе и навигации в пространстве".

Проект начался несколько лет назад, когда Ван была приглашенным ученым в исследовательском кампусе HHMI Janelia, где ее коллега Леонардо отслеживал стрекоз в 3D на большой арене. Ван был вдохновлен на то, чтобы изучить их более внимательно.

"Когда мы посмотрели на их поведение в полете, мы были одновременно в восторге и разочаровании", - сказала она. "Траектории сложны и непредсказуемы. Стрекозы постоянно совершают маневры, не следуя какому-либо очевидному направлению. Это загадочно."

Чтобы изучить динамику полета и внутренние алгоритмы, которые ими управляют, Ван и Мелфи разработали эксперимент с контролируемым поведением, в котором стрекозу сбрасывали вниз головой с магнитного троса - предпосылка, мало чем отличающаяся от знаменитых экспериментов с падающими кошками 1800-х годов, которые показали, как определенные "запрограммированные рефлексы" приводят к появлению у кошек приземляясь на ноги.

Ван и Мелфи обнаружили, что, осторожно отпуская стрекозу без контакта с ногами, сбивающие с толку маневры насекомого фактически повторяли ту же схему 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.

Затем наступила самая сложная часть: попытка разобраться в движениях. Исследователям пришлось учитывать множество факторов - от неустойчивой аэродинамики взаимодействия крыла и воздуха до того, как тело стрекозы реагирует на взмахи крыльев. Существует также та коварная сила, с которой в конечном счете приходится бороться всем земным существам: гравитация.

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

Ван понял, что, в отличие от людей, обладающих чувством инерции, стрекозы могут полагаться на свои две зрительные системы - пару больших сложных глаз и три простых глаза, называемых глазками, - чтобы оценить свою прямоту.

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

"Эти эксперименты предполагают, что зрение является первым и доминирующим путем, инициирующим рефлекс выпрямления у стрекозы", - сказал Ван.

Этот визуальный сигнал запускает серию рефлексов, которые посылают нервные сигналы на четыре крыла стрекозы, которые приводятся в действие набором прямых мышц, которые соответственно модулируют асимметрию высоты тона левого и правого крыла. Тремя или четырьмя взмахами крыльев кувыркающаяся стрекоза может развернуться на 180 градусов и возобновить полет правой стороной вверх. Весь процесс занимает около 200 миллисекунд.

"Что было трудно, 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-моделирования полета теперь дает исследователям неинвазивный способ определить важнейшие связи между наблюдаемым поведением животного и внутренними процедурами, которые им управляют. Эти идеи также могут быть использованы инженерами, стремящимися улучшить характеристики небольших летательных аппаратов и роботов.

"Управление полетом в масштабе времени в десятки или сотни миллисекунд трудно спроектировать", - сказал Ван. "Маленькие машущие машины теперь могут взлетать и поворачиваться, но по-прежнему испытывают проблемы с удержанием в воздухе. Когда они наклоняются, это трудно исправить. Одна из вещей, которые должны делать животные, - это точно решать такого рода проблемы".

Исследование было поддержано программой приглашенных ученых Исследовательского кампуса Джанелии и стипендией Саймонса по математике.