Uzun gövdeleri, engin kanat açıklıkları ve parlak renkleriyle yusufçuklar, görenler için eşsiz bir manzara sunuyor. Fakat özgünlükleri görünüşleriyle bitmiyor: Gezegendeki en eski böcek türlerinden biri olan yusufçuklar, havada uçmayı ilk icat eden hayvanlardan biri.
Şimdiyse Cornell Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesinde makine mühendisliği ve fizik profesörü olan Jane Wang’in öncülüğündeki bir araştırma grubu, yusufçukların düştükleri esnada kendilerini doğrultmalarını sağlayan karmaşık fiziksel süreçler ile sinirsel kontrolleri ortaya çıkarmış.
Araştırma, yusufçuğun gözleriyle (beş tanesinin tümüyle) başlayan ve kasları ile kanat eğimi boyunca devam eden bir mekanizma zincirini gösteriyor.
Wang’in James Melfi ve Anthony Leonardo ile eş yazarlığını yaptığı çalışma, iki hafta önce Science bülteninde yayımlandı.
Wang, yirmi yıldır karmaşık matematiksel modellemeler kullanarak böceklerin uçuş mekaniğini anlamaya çalışıyormuş. Wang’e göre fizik bilimi, yaşayan canlıların evrimini açıklamada genetik kadar önemli.
“Böcekler en bol bulunan türler olmanın yanında, havada uçmayı ilk keşfeden hayvanlar. Yusufçuklar ise en antik böceklerden biri” diyor Wang. “Bu böceklerin kendilerini havada nasıl doğrulttuklarını inceleyerek, hem uçuşun kökeni hem de hayvanların havada denge kurup uzay boyunca ilerlemesini sağlayan sinir devrelerinin nasıl evrimleştiğini öğrenebiliriz.”
Proje, Wang’in Howard Hughes Tıp Enstitüsünde (HHMI) ziyaretçi bilim insanı olduğu sırada başlamış. Çalışmaya katkıda bulunan Leonardo, o zamanlar büyük bir alanda yusufçukları 3 boyutlu olarak takip ediyormuş. Leonardo’dan ilham alan Wang, böcekleri daha yakından incelemeye karar vermiş.
“Uçuş davranışlarına baktığımızda hem hayranlık duymuş hem de yılmıştık” diyor. “Uçuş güzergâhları karmaşıktı ve tahmin edilemiyordu. Yusufçuklar, belirgin bir yön izlemeden sürekli manevra yapıyor. Gizemli bir durum.”
Bu uçuş dinamiklerini ve onlara yön veren dahili algoritmaları incelemek isteyen Wang ile Melfi, kontrollü ve davranışsal bir deney tasarlamış. Deney kapsamında yusufçuklar, manyetik bir ip yardımıyla yukarıdan aşağıya atılacakmış. Araştırmacıların tasarladığı bu deney, 1800’lerde yapılan ve belirli yerleşik reflekslerin kedilerin dört ayak üstüne düşmesiyle sonuçlandığını gösteren meşhur düşen kedi deneylerini andırıyor.
Yusufçuğu bacak teması olmadan dikkatli şekilde serbest bırakan araştırmacılar, böcekteki şaşırtıcı manevraların aslında aynı hareket kalıbını takip ettiğini keşfetmişler. Bu hareketler, saniyede 4.000 kare yakalayan yüksek hızlı üç kamerayla kayıt altına alınmış. Yusufçuğun gövde ve kanatlarına işaret yerleştirilirken, kaydedilen hareketler 3 boyutlu bir yazılım yardımıyla yeniden oluşturulmuş.
Ardından en zorlu kısım gelmiş: Hareketlerden anlam çıkarma kısmı. Kanat ve hava arasında meydana gelen etkileşimlerin düzensiz aerodinamiğinden, yusufçuğun gövdesinin kanat çırpmaya verdiği yanıtın şekline kadar çok sayıda etmenin hesaba katılması gerekmiş. Ayrıca, Dünya’da yaşayan tüm canlıların başa çıkması gereken bir şey daha var: Yer çekimi.
Wang ve Melfi, yusufçuğun akrobatik hareketlerini başarıyla canlandıran bir bilgisayar modeli oluşturmayı başarmış. Fakat önemli bir soru hâlâ gizemini koruyormuş: Yusufçuklar düştüklerini nasıl biliyor da uçuş yörüngelerini düzeltiyor?
Wang, eylemsizlik algısı taşıyan insanlardan farklı olarak yusufçukların iki görsel sistemle (bir çift büyük ve birleşik göz ile üç basit göz) dikey durup durmadıklarını ölçebildiklerini fark etmiş.
Bilim insanı bu kuramını, bir yusufçuğun gözlerini boya ile kapatıp deneyi tekrarlayarak test etmiş. Yusufçuk bu sefer uçuş sırasında çok daha zor doğrulmuş.
“Bu deneyler, görme kabiliyetinin yusufçuğun doğrulma refleksini başlatmada birinci ve baskın güzergâh olduğunu akla getiriyor” diyor Wang.
Yusufçuğun elde ettiği görsel ipuçları, böceğin dört kanadına sinirsel sinyal gönderen bir dizi refleksi tetikliyor. Kanatlar ise sırasıyla sol kanat ve kağ kanat eğim asimetrisini düzenleyen bir dizi doğrudan kasla hareket ediyor. Üç veya dört kez kanat çırpan yusufçuk, devrilmesi halinde 180 derece dönebiliyor ve doğru şekilde uçmaya devam edebiliyor. Bütün bu işlem yaklaşık 200 milisaniye sürüyor.
“Asıl zor olanı, deneysel verilerden bu kilit kontrol stratejisini çıkarmaktı” diyor Wang. “Ufak miktardaki bir eğitim asimetrisinin gözlenen dönme hareketine yol açabildiği bu mekanizmayı anlamamız çok uzun sürmüştü. Bu kilit asimetri, diğer pek çok değişimin arasında gizli.”
Kinematik analizlerin, fiziksel modellemenin ve 3 boyutlu uçuş canlandırmalarının birleştirilmesiyle beraber araştırmacılar, bir hayvanın gözlenen davranışları ile bunları kontrol eden dahili süreçler arasındaki çok önemli bağlantıları çıkarmayı sağlayan girişimsiz bir yöntem elde etmiş. Toplanan bilgiler, uçan küçük makine ve robotların performansını geliştirmek isteyen mühendislerce de kullanılabilir.
“Onlarca ve yüzlerce milisaniyelik zaman ölçeklerini kapsayan uçuş kontrolünde mühendislik yapmak kolay değil” diyor Wang. “Kanat çırpan ufak makineler günümüzde havalanıp dönebiliyor fakat havada durmada hâlâ sorun yaşıyorlar. Eğildikleri zaman düzeltilmeleri zor oluyor. Hayvanlar, bu türden sorunları hassas şekilde çözebiliyorlar.”
Yazar: David Nutt/Cornell Üniversitesi. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
