Czego można nauczyć się od muchy?

Dlaczego tak trudno złapać muchę?

Jest wczesny, ciepły poranek. Leżysz w łóżku, śniąc piękny sen, gdy coś uporczywie cię rozbudza natrętnym bzyczeniem. Chciałbyś jeszcze pospać, więc zdenerwowany machasz ręką, by odgonić muchę. Ale ona robi unik i po chwili wraca. I wraca, i wraca. Łapiesz więc leżącą obok klapkę i próbujesz trafić bezczelnego owada. Po kilku minutach rezygnujesz, choć mucha wciąż lata ci koło nosa. Zły wstajesz z łóżka myśląc: „Co za bezużyteczny, mały szkodnik!” Na pewno nie raz przeżyłeś coś podobnego. Być może zaskoczy cię więc fakt, że muchy potrafią przynieść pożytek a ludzie mogą się od nich sporo nauczyć.

Portret muchy

Mucha to owad występujący na całym świecie. Najbardziej znana i wszechobecna jest mucha domowa. Ten niewielki owad ma nieco ponad 7 mm długości i w naturalnych warunkach żyje około 4 tygodnie. Rozmnaża się składając jaja w odchodach (najczęściej świńskich), z których wylęgają się larwy. Młody owad gotowy jest do lotu już po kilku minutach od przepoczwarzenia.

Muchy latają zazwyczaj w dzień (w nocy odpoczywają). Choć w porównaniu z innymi owadami nie są zbyt szybkie (lecą około 8 km/h), potrafią machać skrzydełkami nawet 200 razy na sekundę a ich zwrotność i błyskawiczna reakcja na zagrożenie sprawiają, że trudno je trafić lub złapać.

Zdolność szybkiej ucieczki umożliwia im narząd o nazwie przezmianki oraz niezwykła budowa małego mózgu.

Mózg muchy to niezwykle szybki komputer

Mały mózg, wielka szybkość

Mucha ma mózg wielkości ziarenka soli, zawiera on 350 000 neuronów (mózg ludzki dla porównania ma tych neuronów 86 000 000 000). Pracuje on jednak znacznie szybciej, niż mózg człowieka. Widząc zagrożenie, owad ten potrafi zareagować w ciągu zaledwie kilku tysięcznych sekundy, podczas gdy człowiekowi zajmuje to około 25 setnych sekundy.

Szybką reakcję muchy zawdzięczają pewnym skręconym włóknom nerwowym w mózgu. Przekazują one impulsy nie chemiczne, ale elektryczne, dzięki czemu informacja z oczu dociera błyskawiczne do malutkiego „centrum dowodzenia” i powoduje natychmiastową reakcję.

Co więcej, owady te potrafią dostrzec nawet najmniejszy, najszybszy ruch tak, jakby był wyświetlony w zwolnionym tempie. Ich mikroskopijny móżdżek przetwarza te sygnały wizualne z szybkością, o której ludzie mogą tylko pomarzyć i sprawia, że muchy podrywają się do lotu, wykonując niezwykłe akrobacje.

Reakcja atakowanej muchy ma pewien schemat. Gdy jej mózg otrzyma informację o niebezpieczeństwie, owad gwałtownie rzuca się w bok, jednocześnie wykonując ruch skrętny. Przez chwilę leci do góry nogami a potem znów odwraca ciało, odnajdując błyskawicznie właściwy kierunek lotu. Robi to pięć raz szybciej niż w czasie normalnego skręcania bez zagrożenia. Naukowcy porównują ten manewr do sposobu reagowania pilotów myśliwca. Podobnie jak te samoloty, muchy posiadają instrument, który pomaga im odnaleźć odpowiednią pozycję nawet przy najbardziej skomplikowanych ewolucjach.

To, w jaki sposób mózg muchy zdoła dostrzec ruch z taką szybkością i precyzją przewiduje dość dokładnie model matematyczny. Niemniej pomimo ponad 50 lat badań, pozostaje tajemnicą, w jaki sposób komórki nerwowe są faktycznie połączone w mózgu muchy.

Przezmianki – idealny żyroskop do zadań specjalnych

Przezmianki to dwa małe pręciki z gałkami na końcach, wyrastające z tułowia muchy tuż za skrzydłami. Wyglądem przypominają ustawione poziomo wahadła od zegara. Te małe narządy równowagi pozwalają muchom na wykonywanie niezwykłych akrobacji.

Podczas lotu owada przezmianki ruszają się w górę i w dół, równocześnie ze skrzydełkami, tyle że w przeciwnym kierunku. Gdy mucha odchyla się w pionie, obraca lub leci do góry nogami przezmianka przekręca się u podstawy, uciskając na zakończenia nerwowe, które natychmiast przekazują sygnał do mózgu w celu skorygowania toru lotu.

W ten sposób owad może bezpiecznie wykonywać manewr ucieczki i utrzymywać kurs pomimo podmuchów wiatru.

Przezmianki przyrównywane są do żyroskopu. Jest to narzędzie pomagające stabilizować lot maszyny. Składa się z koła zamachowego, które wykonuje obroty wokół własnej osi zachowując stały kierunek w przestrzeni. Na przyrząd ten nie mają wpływu siły zewnętrzne, takie jak grawitacja czy pole magnetyczne.

Jednak pręciki przezmianek działające na zasadzie wahadła znacznie przewyższają obrotowe żyroskopy, gdyż potrafią przekazać o wiele dokładniejsze informacje niż urządzenia stworzone przez człowieka.

Dlatego też naukowcy dążą do skopiowania niezwykłych zdolności much na grunt nowoczesnych technologii.

Jak wykorzystują to naukowcy

Inżynierowie znaleźli zastosowanie niezwykłych zdolności mózgu muchy i jej narządu stabilizacyjnego w projektowaniu robotów, dronów, latających mikromechanicznych owadów, samolotów, pojazdów kosmicznych i komputerów.

Robo-mucha

Naukowcom udało się stworzyć prototyp sztucznej muchy. Ten mały robocik waży zaledwie 60 miligramów a jego skrzydła mają rozpiętość 3 cm.

By wykonać robota o tak niewielkich rozmiarach, inżynierowie użyli laserów i z mikrometrową precyzją pocięli włókna węglowe a następnie połączyli je polimerowym klejem. Użyte polimery to elektroaktywny materiał, zmieniający kształt po impulsie elektrycznym, a więc takim, jaki działa w mózgu prawdziwej muchy. Ten sposób konstrukcji pozwolił na uzyskanie skomplikowanych a jednocześnie giętkich części, którymi można łatwo sterować.

Sztuczna mucha nie jest jednak jedynie zabawką naukowców. Mechaniczne muchy mogłyby zostać użyte w celu wyszukania wycieków gazu z nieszczelnych rur w całym budynku, do mierzenia stopnia promieniowania w niebezpiecznym otoczeniu, wykrywania szkodliwych substancji chemicznych a nawet zapylania kwiatów i drzew. Podobno istnieją plany wykorzystania robo-much w celach szpiegowskich jako nośników maleńkich kamer i mikrofonów.

Ultralekki mini samolot

Badacze zaprojektowali także mały samolot naśladujący zdolności nawigacyjne muchy, który waży 10 gramów i ma rozpiętość skrzydeł 36 cm. Ich celem było stworzenie urządzenia potrafiącego latać w zamkniętym pomieszczeniu.

Zdecydowano się na użycie technologii wzorowanych na oczach, mózgu i przezmiankach muchy. Na każdym ze skrzydeł samolotu zamontowano dwie malutkie kamery o niskiej rozdzielczości i żyroskop o rozmiarach micro-chipu. Na jego pokładzie umieszczono również oprogramowanie pozwalające na przetwarzanie sygnałów z kamer oraz kontrolowanie równowagi.

Chociaż pierwszy lot małego urządzenia nie trwał długo, naukowcy mają nadzieję na udoskonalenie samolotu i zmniejszenie go do rozmiarów muchy.

Zakończone powodzeniem testy w zamkniętych pomieszczeniach, gdzie duża liczba przeszkód utrudnia nawigowanie, są pierwszym krokiem do wykorzystania tych mini samolotów do poszukiwań i ratunku ludzi znajdujących się w niebezpieczeństwie.

Super zwrotny dron

Chociaż drony nie są w dzisiejszych czasach nowością, naukowcy wciąż pracują nad ich udoskonaleniem.

Zainspirowani lotem muszki owocówki, badacze zbudowali drona zdolnego do wykonywania szybkich manewrów przy dużych prędkościach. Urządzenie to waży jedynie 29 gramów. Jest w stanie wykonać zwrot o 90 stopni bez utraty rozpędu i niemal natychmiast obrócić się o 180 stopni. Co ciekawe, posiada również skrzydła, które uderzają z częstotliwością 17 uderzeń na sekundę a ich rozpiętość to 33 cm. Dron ten potrafi unosić się i latać z prędkością 25 km/h oraz wykonywać takie akrobacje jak obrót czy tzw. beczka (czyli obrót dookoła swej osi podłużnej).

Choć prace nad dronem pierwotnie miały na celu bliższe poznanie sposobu lotu muszek, naukowcy doszli do wniosku, że urządzenia te mogą okazać się pomocne również w innych dziedzinach życia. Ich zwrotność i lekka konstrukcja sprawiają bowiem, że bezpiecznie manewrują pomiędzy ludźmi i są bardziej efektywne od innych dronów.

Samoloty, statki kosmiczne i komputery

Obserwacje much wciąż skłaniają badaczy i inżynierów do pracy nad kolejnymi ulepszeniami istniejących technologii. Są oni np. zainteresowani zaprojektowaniem żyroskopu wibrującego, który będzie dokładniejszy niż dotychczas używany żyroskop z łożyskami kulkowymi. Mógłby on znaleźć zastosowanie w nowoczesnych systemach nawigacyjnych samolotów i statków kosmicznych.

Naukowcy myślą również o stworzeniu mikroskopijnego komputera o zdolnościach podobnych do mózgu muchy. Niestety, na razie plany te pozostają w sferze marzeń.

Ciekawostki

• Przezmianki posiadają nie tylko muchy domowe. Mają je także m. in. bąki, muchy tse-tse i długoczułkie.
• Muchy rozmnażają się bardzo szybko. Każdego dnia pojawia się ich tyle, ile jest ludzi na całym świecie.
• Owady te nierzadko stwarzają zagrożenia epidemiologiczne, przenoszą bowiem mnóstwo mikroorganizmów wywołujących liczne choroby. Szczególnie uciążliwe są muchy tse-tse zamieszkujące kraje Afrykańskie. W latach 80. w Zambii ich stada dziesiątkowały bydło, hamując rozwój gospodarczy regionu. Wymyślono więc sztuczne krowy nasączone substancjami wabiącymi muchy i środkiem owadobójczym. Rozstawiono ich aż 60 tysięcy (po cztery na kilometr kwadratowy), co pozwoliło całkowicie usunąć problem.
• Muchy wykorzystano jako pierwsze zwierzęta wysłane w kosmos, by ustalić, czy podróże poza planetę są w ogóle możliwe.

Polecamy

• Mucha
• Mrówki – symbol pracowitości
• Wybuchające mrówki
• Szarańcza
• Opracowania
• Świat owadów
• Owady
• Muchy, mucha domowa
• Komary i moskity
• Termity