Παρασκευή, 12 Οκτωβρίου 2018

Πώς τα έντομα δημιουργούν τα μοτίβα των φτερών τους. How dragonfly wings get their patterns

Οι επιστήμονες αποκρυπτογράφησαν τα μυστικά τους και δημιούργησαν μοντέλο αναπαραγωγής των μοτίβων τους. Researchers have developed a model that can recreate, with only a few parameters, the wing patterns of a large group of insects, shedding light on how these complex patterns form. Wing of the damselfly Hetaerina americana, with polygonized vein domains colored by their circularity. Credit: Image courtesy of Seth Donoughe and Jordan Hoffmann/Harvard University

Τα μυστικά των πολύπλοκων και εντυπωσιακών φτερών των εντόμων αποκρυπτογράφησαν μαθηματικοί και βιολόγοι επιστήμονες, καταφέρνοντας όχι μόνο να κατανοήσουν πώς αυτά σχηματίζονται αλλά και να δημιουργήσουν ένα μοντέλο το οποίο είναι ικανό να αναπαράγει τα μοτίβα τους.

Τα φτερά των εντόμων αποτελούνται από δεκάδες διακλαδώσεις «νεύρων», που προσφέρουν στο φτερό ευελιξία, σταθερότητα και αεροδυναμικό σχήμα. Σε πολλά είδη εντόμων όμως υπάρχει ένα συμπληρωματικό δίκτυο νεύρωσης, το οποίο τέμνοντας τα βασικά νεύρα σχηματίζει στο φτερό εκατοντάδες μικρά γεωμετρικά σχήματα. Μάλιστα, στα έντομα αυτά τα μοτίβα που σχηματίζονται στα φτερά από τις νευρώσεις είναι μοναδικά και διαφέρουν από φτερό σε φτερό. Σε πρόσφατη δημοσίευση στην επιστημονική επιθεώρηση Proceedings of the National Academy of Sciences, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τα μαθηματικά για να υπολογίσουν ένα προς ένα τα γεωμετρικά σχήματα των φτερών, με στόχο να καταλάβουν πώς αυτά δημιουργούνται.

Η γεωμετρία των φτερών

Secondary veins form a unique pattern on every wing. (A) Overlay of the left (blue) and right (orange) forewing of the same individual of Erythremis simplicicolis. (B) Left and right wings of the same individual, with domains colored by circularity and area. Left wings have been reflected for display. (C) Area and circularity of each vein domain. Each point represents a single domain (blue points, left wing; orange points, right wing). DOI: 10.1073/pnas.1721248115

Αφού απομόνωσαν τα φτερά 232 διαφορετικών ειδών λιβελούλας και ζυγόπτερου, τα μετέτρεψαν σε ψηφιακή εικόνα και αποτύπωσαν λεπτομερώς τα μοτίβα τους. Έπειτα, μέτρησαν χαρακτηριστικά των γεωμετρικών σχημάτων όπως το εμβαδόν, τις γωνίες και την απόσταση μεταξύ τους. Οι υπολογισμοί αυτοί αποκάλυψαν ότι τα γεωμετρικά σχήματα δεν κατανέμονται με τυχαίο τρόπο στο φτερό.

Για παράδειγμα, τα παραλληλόγραμμα εμφανίζονται σε άλλες περιοχές από αυτές όπου εμφανίζονται τα πεντάγωνα και τα εξάγωνα, ή ακόμη το εμβαδόν των σχημάτων μικραίνει όσο φτάνουμε στην άκρη του φτερού. «Μελετώντας την κατανομή των σχημάτων στα φτερά πολλών διαφορετικών ειδών, είναι σαν να περιγράφουμε τη φυσική ιστορία των γεωμετρικών σχημάτων» αναφέρει o μεταδιδακτορικός ερευνητής Seth Donoughe στην ιστοσελίδα Εφαρμοσμένων Επιστημών του Harvard.

Πώς προκύπτουν τα μοτίβα

Έχοντας εξασφαλίσει τη μαθηματική περιγραφή κάθε σχήματος του φτερού, οι ερευνητές διατύπωσαν ένα σενάριο για το πώς θα μπορούσαν να σχηματίζονται αυτά τα γεωμετρικά σχήματα. Σύμφωνα με αυτό, κατά τον σχηματισμό των φτερών, πρώτα αναπτύσσονται συγκεκριμένες βασικές διακλαδώσεις νεύρων. Οι διακλαδώσεις αυτές εκκρίνουν χημικά σήματα στις γύρω περιοχές, τα οποία απαγορεύουν την ανάπτυξη άλλων νεύρων.

Στην τελευταία φάση, αναπτύσσονται διακλαδώσεις συμπληρωματικών νεύρων μόνο στις περιοχές όπου δεν υπάρχει απαγορευτικό χημικό σήμα. Με αυτόν τον τρόπο οι περιοχές όπου υπάρχουν απαγορευτικά σήματα μένουν κενές και έτσι πιθανώς να προκύπτουν τα διάφορα γεωμετρικά σχήματα.

Από την υπόθεση στο μοντέλο

Modeling the secondary veins of distantly related species. (A) The evolutionary relationships among the insects considered in this study. (B and C) The model applied to a (B) lacewing (order: Neuroptera) and (C) grasshopper (order: Orthoptera). Gray vein domains in B are bounded on all sides by primary wing veins; these are not simulated in the model. DOI: 10.1073/pnas.1721248115

Για να διαπιστώσουν εάν αυτή η υπόθεση ευσταθεί, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μαθηματικό μοντέλο βασισμένο σε αυτή την υπόθεση. Στο μοντέλο αυτό συμπεριέλαβαν τους μαθηματικούς υπολογισμούς που είχαν κάνει για κάθε γεωμετρικό σχήμα του φτερού. Το αποτέλεσμα ενθουσίασε τους ερευνητές: Το μοντέλο κατάφερε να δημιουργήσει στον υπολογιστή φτερά που είχαν μοτίβα παρόμοια με αυτά που συναντάμε σε πολλά είδη εντόμων στη φύση.

«Βασισμένοι σε λίγες υποθέσεις σχετικά με την ανάπτυξη των φτερών, δημιουργήσαμε ένα απλό μοντέλο που μπορεί να αναπαράγει μοτίβα φτερών παρόμοια με αυτά που απαντώνται στη φύση, ακόμα και σε είδη που δεν είναι στενά συγγενικά μεταξύ τους, από τις ακρίδες μέχρι τις λιβελούλες, τα ζυγόπτερα και τα νευρόπτερα» σημείωσε ο καθηγητής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών Christopher Rycroft στην ιστοσελίδα του Harvard.

Τεχνητά φτερά για μικρά ιπτάμενα ρομπότ

Η αποκρυπτογράφηση του βιολογικού μηχανισμού που σχηματίζει τα μοτίβα στα φτερά πολλών εντόμων, βοηθάει την επιστημονική κοινότητα να κατανοήσει πώς τα φτερά αποκτούν το αεροδυναμικό τους σχήμα, τη σταθερότητα και την ευελιξία τους. Αυτή η πληροφορία μπορεί να αξιοποιηθεί στο μέλλον για να βελτιωθούν τα τεχνητά φτερά πολύ μικρών ιπτάμενων ρομποτικών συσκευών που έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια για επιχειρήσεις διάσωσης, ώστε να αποκτήσουν πτητική ικανότητα παρόμοια με αυτή των πουλιών και των εντόμων.

Πηγές: Jordan Hoffmann, Seth Donoughe, Kathy Li, Mary K. Salcedo, Chris H. Rycroft. A simple developmental model recapitulates complex insect wing venation patternsProceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 201721248 DOI: 10.1073/pnas.1721248115 - https://www.tovima.gr/2018/10/12/science/pos-ta-entoma-lfdimiourgoun-ta-motiva-ton-fteron-tous/