Όταν ένα σκαθάρι της κοπριάς φτάνει σε μια περιοχή με περιττώματα, σχηματίζει μια μπάλα και την απομακρύνει σε μια ευθεία γραμμή, επιδιώκοντας να αποστασιοποιηθεί από τους ανταγωνιστές του. Αν και η διαδικασία αυτή φαίνεται απλή, κρύβει έναν εξαιρετικά εξελιγμένο μηχανισμό πλοήγησης, ενσωματωμένο σε έναν εγκέφαλο μικρότερο από έναν κόκκο ρυζιού. Ενώ οι άνθρωποι συχνά δυσκολεύονται να διατηρήσουν μια ευθεία πορεία σε δύσκολες συνθήκες, όπως σε μια έρημο τη νύχτα ή σε ένα πυκνό δάσος, τα σκαθάρια εκτελούν μια σειρά από περιστροφές πάνω στη μπάλα τους πριν ξεκινήσουν, λαμβάνοντας ένα οπτικό «στιγμιότυπο» του ουρανού. Αυτή η ικανότητα, που μελετήθηκε διεξοδικά στο πλαίσιο της πρωτοβουλίας UltimateCOMPASS, προσφέρει πολύτιμα διδάγματα για τον σχεδιασμό αυτόνομων συστημάτων, drones και οχημάτων που λειτουργούν σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Η στρατηγική της ευθείας πορείας και η βιολογία του προσανατολισμού
Η ικανότητα των σκαθαριών να κινούνται σε απόλυτα ευθείες γραμμές δεν είναι απλώς ένα εντυπωσιακό βιολογικό φαινόμενο, αλλά μια κρίσιμη στρατηγική επιβίωσης. Σε περιόδους έντονου ανταγωνισμού, όπου χιλιάδες σκαθάρια συγκεντρώνονται σε ένα σημείο, η ικανότητα να απομακρύνονται γρήγορα και ευθύγραμμα από την πηγή τροφής τους επιτρέπει τη μεγιστοποίηση της απόστασης από τους ανταγωνιστές. Η καθηγήτρια Marie Dacke, αισθητηριακή βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Lund της Σουηδίας, ηγήθηκε της έρευνας για έξι χρόνια, με στόχο την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι βιολογικοί πυξίδες λειτουργούν σε οποιοδήποτε περιβάλλον. Τα σκαθάρια αποτελούν ιδανικά υποκείμενα μελέτης, καθώς δραστηριοποιούνται τόσο την ημέρα όσο και τη νύχτα, προσαρμοζόμενα σε ποικίλα οικοσυστήματα, από δάση μέχρι ερήμους, αποδεικνύοντας μια αξιοσημείωτη ευελιξία στον τρόπο που επεξεργάζονται τα περιβαλλοντικά ερεθίσματα.
Δυναμική προσαρμογή στα περιβαλλοντικά ερεθίσματα
Η έρευνα αποκάλυψε ότι τα σκαθάρια δεν βασίζονται σε ένα μόνο στοιχείο για τον προσανατολισμό τους, αλλά συνδυάζουν δυναμικά διαφορετικά δεδομένα, όπως η θέση του ήλιου, της σελήνης, των άστρων, του Γαλαξία, ακόμη και η κατεύθυνση του ανέμου. Μέσω πειραμάτων στο εργαστήριο και στο πεδίο, όπου χρησιμοποιήθηκαν κάτοπτρα για την αλλαγή της θέσης του ήλιου και ανεμιστήρες για την προσομοίωση του ανέμου, διαπιστώθηκε ότι τα έντομα προσαρμόζουν τη βαρύτητα που δίνουν σε κάθε ερέθισμα ανάλογα με τις συνθήκες. Για παράδειγμα, όσο υψηλότερα βρίσκεται ο ήλιος στον ουρανό, τόσο περισσότερο τα σκαθάρια βασίζονται στον άνεμο. Αυτή η ικανότητα άμεσης απόκρισης στις μεταβολές του περιβάλλοντος επιτρέπει στο σύστημα πλοήγησής τους να παραμένει ακριβές καθ’ όλη τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου.
Νυχτερινή πλοήγηση και ο ρόλος της μνήμης
Κατά τη διάρκεια της νύχτας, τα σκαθάρια της κοπριάς αξιοποιούν τα μοτίβα του πολωμένου φωτός γύρω από τη Σελήνη. Τα μάτια τους διαθέτουν υποδοχείς ευαίσθητους στα πράσινα μήκη κύματος που είναι διαθέσιμα υπό το φως του φεγγαριού. Επιπλέον, η ερευνητική ομάδα εξέτασε τον ρόλο της μνήμης στη διαδρομή μεταξύ της πηγής τροφής και της φωλιάς. Χρησιμοποιώντας τεχνικές αναισθησίας με πάγο για τη διακοπή της νευρικής δραστηριότητας, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι, ενώ τα έντομα διατηρούσαν την κατεύθυνση, έχαναν την αίσθηση της απόστασης που έπρεπε να διανύσουν. Αυτό το εύρημα προσέφερε κρίσιμα στοιχεία για τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος του εντόμου αποθηκεύει και ανακαλεί χωρικές πληροφορίες, ενισχύοντας την κατανόηση των νευρικών μηχανισμών που διέπουν την πλοήγηση.
Από τον εγκέφαλο του εντόμου στη ρομποτική τεχνολογία
Η εφαρμογή αυτών των βιολογικών ευρημάτων στη ρομποτική αποτελεί έναν από τους κύριους στόχους της καθηγήτριας Barbara Webb από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. Η ομάδα της χρησιμοποίησε τα δεδομένα από τις καταγραφές των νευρώνων των σκαθαριών για να σχεδιάσει ένα μικροσκοπικό νευρωνικό κύκλωμα για ρομπότ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα ρομπότ, βασισμένα σε αυτό το μοντέλο, μπορούσαν να αναπαράγουν τις κινήσεις των εντόμων υπό διαφορετικές συνθήκες φωτισμού και ανέμου. Η επιτυχία αυτή υπογραμμίζει ότι τα έντομα επιλύουν σύνθετα προβλήματα πλοήγησης με εξαιρετικά αποδοτικά, μικρά νευρωνικά δίκτυα, τα οποία καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια. Αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να οδηγήσει σε συστήματα πλοήγησης που θα λειτουργούν ως εφεδρικά σε περίπτωση αποτυχίας του GPS, ιδιαίτερα σε τομείς όπως η γεωργία ακριβείας.
Περιβαλλοντικές επιπτώσεις και μελλοντικές προοπτικές
Πέρα από τις τεχνολογικές εφαρμογές, η έρευνα ανέδειξε τις αρνητικές επιπτώσεις της φωτορύπανσης στη συμπεριφορά των εντόμων. Το τεχνητό φως παρεμβαίνει στα φυσικά σήματα του ουρανού, αποπροσανατολίζοντας τα σκαθάρια και οδηγώντας τα προς τεχνητές πηγές φωτός, γεγονός που αυξάνει τον ανταγωνισμό και μειώνει την ικανότητά τους να διασπείρονται αποτελεσματικά. Τα ευρήματα αυτά παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τον σχεδιασμό αστικού φωτισμού που θα ελαχιστοποιεί την όχληση στην πανίδα. Η καθηγήτρια Dacke συνεχίζει να ερευνά τον τρόπο με τον οποίο τα σκαθάρια ενσωματώνουν διαφορετικές εισροές δεδομένων, εστιάζοντας ιδιαίτερα στη σημασία της αρχικής περιστροφής τους. Η μελέτη αυτή αναδεικνύει τις ευφυείς λύσεις που έχει αναπτύξει η φύση, προσφέροντας ένα πρότυπο για την αντιμετώπιση σύγχρονων μηχανικών προκλήσεων.
Πηγή: projects.research-and-innovation.ec.europa.eu