Lektionen aus Wie Libellen sich selbst aufrichten, während sie fallen

Mit ihren gestreckten Körpern, der immensen Spannweite und der schillernden Färbung sind Libellen ein einzigartiger Anblick. Aber ihre Originalität endet nicht mit ihrem Aussehen:Als eine der ältesten Insektenarten auf dem Planeten sind sie ein früher Erneuerer des Luftflugs.

Jetzt hat eine Gruppe unter der Leitung von Jane Wang, Professorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am Cornell University College of Engineering, die komplizierte Physik und neuronale Steuerung entwirrt, die es Libellen ermöglicht, sich selbst aufzurichten, während sie fallen.

Die Forschung enthüllt eine Kette von Mechanismen, die mit den Augen der Libelle beginnt – alle fünf – und sich durch ihre Muskeln und Flügelstellung fortsetzt.

Die Abhandlung des Teams, „Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex“, wurde am 12. Mai in Science veröffentlicht . Wang war Co-Autor des Artikels zusammen mit James Melfi, Ph.D., und Anthony Leonardo vom Howard Hughes Medical Institute (HHMI) in Ashburn, Virginia.

Seit zwei Jahrzehnten verwendet Wang komplexe mathematische Modelle, um die Mechanik des Insektenflugs zu verstehen. Für Wang ist die Physik genauso wichtig wie die Genetik, um die Evolution lebender Organismen zu erklären.

„Insekten sind die am häufigsten vorkommenden Arten und waren die ersten, die den Luftflug entdeckten. Und Libellen gehören zu den ältesten Insekten“, sagte Wang. „Der Versuch zu untersuchen, wie sie sich in der Luft aufrichten, würde uns einen Einblick in den Ursprung des Fliegens geben und darüber, wie Tiere Neuroschaltkreise entwickelt haben, um in der Luft zu balancieren und durch den Weltraum zu navigieren. Ihre Bahnen sind komplex und unvorhersehbar. Libellen machen ständig Manöver, ohne einer offensichtlichen Richtung zu folgen. Es ist mysteriös.“

Um diese Flugdynamik und die internen Algorithmen, die sie steuern, zu untersuchen, entwarf das Team ein kontrolliertes Verhaltensexperiment, bei dem eine Libelle kopfüber von einer magnetischen Leine fallen gelassen wurde – eine Prämisse, die den berühmten Experimenten mit fallenden Katzen aus dem 19 bestimmte „fest verdrahtete Reflexe“ führten dazu, dass die Katzen auf ihren Füßen landeten. Sie fanden heraus, dass durch das vorsichtige Freilassen einer Libelle ohne Beinkontakt die verwirrenden Manöver des Insekts tatsächlich demselben Bewegungsmuster folgten, das die Forscher mit drei Hochgeschwindigkeitsvideokameras mit 4.000 Bildern pro Sekunde aufnehmen konnten. Die Flügel und der Körper der Libelle wurden mit Markierungen versehen und die Bewegungen wurden über eine 3D-Tracking-Software rekonstruiert.

Die Forscher mussten zahlreiche Faktoren berücksichtigen – von der unsteten Aerodynamik der Flügel- und Luftwechselwirkungen bis hin zur Art und Weise, wie der Körper einer Libelle auf ihren Flügelschlag reagiert. Es gibt auch diese hartnäckige Kraft, mit der alle irdischen Wesen letztendlich fertig werden müssen:die Schwerkraft.

Wang und Melfi konnten ein Rechenmodell erstellen, das den Kunstflug der Libelle erfolgreich simulierte. Aber eine Schlüsselfrage blieb:Woher wissen Libellen, dass sie fallen, damit sie ihre Flugbahn korrigieren können?

Wang erkannte, dass sich Libellen im Gegensatz zu Menschen, die einen Trägheitssinn haben, auf ihre beiden visuellen Systeme verlassen konnten – ein Paar große Facettenaugen und drei einfache Augen, die Ocelli genannt werden – um ihre Aufrichtung abzuschätzen.

Sie testete ihre Theorie, indem sie die Augen einer Libelle mit Farbe blockierte und das Experiment wiederholte. Diesmal hatte die Libelle viel größere Schwierigkeiten, sich mitten im Flug zu erholen.

"Diese Experimente deuten darauf hin, dass das Sehen der erste und dominante Weg ist, um den Aufrichtungsreflex der Libelle auszulösen", sagte Wang.

Dieser visuelle Hinweis löst eine Reihe von Reflexen aus, die neuronale Signale an die vier Flügel der Libelle senden, die von einer Reihe direkter Muskeln angetrieben werden, die die linke und rechte Tonhöhenasymmetrie entsprechend modulieren. Mit drei oder vier Flügelschlägen kann eine taumelnde Libelle um 180 Grad rollen und mit der rechten Seite nach oben weiterfliegen. Der gesamte Vorgang dauert etwa 200 Millisekunden.

„Schwierig war es, die Schlüsselkontrollstrategie aus den experimentellen Daten herauszufinden“, sagte Wang. „Wir haben sehr lange gebraucht, um den Mechanismus zu verstehen, durch den eine kleine Tonhöhenasymmetrie zu der beobachteten Rotation führen kann. Die Schlüsselasymmetrie ist unter vielen anderen Änderungen verborgen.“

Die Kombination aus kinematischer Analyse, physikalischer Modellierung und 3D-Flugsimulationen bietet Forschern nun eine nicht-invasive Möglichkeit, die entscheidenden Zusammenhänge zwischen dem beobachteten Verhalten eines Tieres und den internen Verfahren, die es steuern, abzuleiten. Diese Erkenntnisse können auch von Ingenieuren genutzt werden, die die Leistung kleiner Flugmaschinen und Roboter verbessern möchten.

„Eine Flugsteuerung auf der Zeitskala von zehn oder hundert Millisekunden ist schwierig zu konstruieren“, sagte Wang. „Kleine Schlagmaschinen können jetzt abheben und wenden, haben aber immer noch Probleme, in der Luft zu bleiben. Wenn sie kippen, ist es schwer zu korrigieren. Eines der Dinge, die Tiere tun müssen, ist genau diese Art von Problemen zu lösen.“