A co, jeśli owady nie śpią?

Skoro wiadomo już (mniej więcej) czym jest sen i jakie jest jego znaczenie, chcę dowiedzieć się jakie są skutki i efekty niedoboru snu. Choć informacje (zaczerpnięte z Wikipedii) dotyczą przede wszystkim snu człowieka, to jednak spodziewam się, że pewne objawy dotyczyć będą także zwierząt, w tym i owadów. Z pewnością widywałam już śpiące owady (znieruchomiałe, dziwnie niepłochliwe, które pozwalały podejść się bardzo blisko), ale czy widziałam owada niewyspanego? Jeśli nawet, to po czym można byłoby to rozpoznać?

Skutki niedoboru snu (w skrócie i ze wskazaniem tych objawów, które możliwe są także u owadów)

• spowolnienie reakcji, 
• zaburzenia w przetwarzaniu informacji
• utrudnione skupienie uwagi 
• upośledzenie aktywności układu immunologicznego

Pozostałe skutki braku snu (zaburzenia nastroju, spadek motywacji, przecenianie swoich umiejętności i podwyższona skłonność do podejmowania ryzyka, spadek zdolności twórczego myślenia i umiejętności podejmowania złożonych decyzji) jakie występują u człowieka, w przypadku owadów prawdopodobnie można pominąć.

Ważka - wędrowiec długodystansowy

Natknęłam się na kilka artykułów dotyczących wędrówek ważek, migracji o zasięgu wielu tysięcy kilometrów. Bardzo mnie to zaciekawiło, gdyż jako jednego ze słynnych w świecie ważek wędrowców wymieniono spotkaną przeze mnie w Egipcie ważkę z gatunku Pantala flavescens.
Zacznę od wędrówek obserwowanych niegdyś w Polsce. Oto fragment pracy Józefa Dziędzielewicza (1844-1918), polskiego entomologa (uznanego za jednego z najbardziej zasłużonych), trichopterologa, odonatologa i prawnika, pt. "Ważki Galicji i przyległych krajów polskich" (rok wydania 1902):

    Czy z braku dostatecznej ilości wody do rozwoju przyszłego pokolenia w pewnej okolicy, czy pod wpływem innych niezbadanych jeszcze przyczyn skupiają się ważki tłumnie w jednej miejscowości, po czym w rozluźnionych szeregach ciągną w dalekie nieraz strony do bardziej nawodnionych okolic. Wędrówka ta odbywa się widocznie z pewnym planem. Gromada ciągnących ważek zbija się w zastęp długi, wijący się bez przerwy nad równinami i wzgórzami, lasami i miastami. Do zwartych szeregów przyłączają się w drodze luźnie latające okazy tego samego gatunku.

Cztery skrzydła ważki

Pod względem zwinności i sprawności lotu (a także kształtu ciała) ważki są niedościgłymi mistrzami, cudami natury. Sekret zwrotności i efektywności lotu ważki tkwi w jej czterech niezależnie poruszanych skrzydłach, które umożliwiają błyskawiczną zmianę kierunku, przyśpieszanie, bądź zwalnianie. A dokładniej? W aerodynamicznym kształcie skrzydła, które jednak wcale nie przypomina skrzydła samolotu. Cieniutkie skrzydła ważki są pofałdowane, dzięki czemu są mocne. Mało tego, zagięcia te podczas lotu ślizgowego ważki zwiększają jej siłę nośną! Dzieje się tak dlatego, ponieważ powietrze wirujące w przestrzeniach między zagięciami tworzy strefy o bardzo małym współczynniku oporu, które wspomagają prąd powietrzny wytwarzający siłę nośną na powierzchni skrzydła.

Ptaki potrafią latać tylko w jednym kierunku (ze względu na wymóg przepływu powietrza nad skrzydłami do generowania siły nośnej). Wyjątkiem są zwinne kolibry, które potrafią zawisnąć w miejscu oraz, jako jedyne ptaki, latać do tyłu. Dodać jednak trzeba, że taki sposób latania wymaga ogromnej energii – dzienna waga zjadanego przez kolibry pokarmu to... dwukrotna masa ich ciała. Ale nawet lot kolibra nie dorównuje akrobacjom ważki, która dysponując czterema skrzydłami i może latać w górę, dół, na boki, do przodu i do tyłu bez zmiany kierunku lotu. Potrafi też unosić się w jednym miejscu bez ruchu w dowolnym kierunku (lot stojący), lub wznosić się w górę z dużą prędkością (do 60 km na godzinę, w zależności od gatunku).

Machający skrzydłami MAV

Naukowcy zajmujący się aerodynamiką wciąż zadają sobie pytanie: Co możemy zrobić, by zbudować lekkie maszyny latające, które machają skrzydłami i bezgłośnie manewrują, bez konwencjonalnych silników lotniczych?
Inspirujące stworzenie - ważka
Technologia - Flapping Micro Air Vehicle (FMAV)

Dragonfly Insectothopter  (źródło)

W przeciwieństwie do skrzydeł samolotu skrzydła ważki są elastyczne. W przeciwieństwie do ptaków ważki posiadają dwie pary skrzydeł. Te dwa zestawy skrzydeł mogą trzepotać i odchylać się (skręcać) w różnej kolejności i kombinacji umożliwiając ważce nadzwyczaj wydajny lot, którego skopiowanie ciągle jest tylko marzeniem inżynierów aerodynamiki. 
Ważki są zdolne do zdumiewająco zwinnych manewrów, w tym latania do tyłu oraz w bok. Są one również szybkie - niektóre gatunki mogą latać z prędkością ponad 48 km/h). Dwie pary długich skrzydeł ważki trzepoczą zazwyczaj 30 razy na sekundę. Właśnie z tych powodów inżynierowie aerodynamiki szukają sposobów, by projektowane przez nich statki powietrzne naśladowały sposób lotu ważek oraz osiągały podobne możliwości (zwrotność, efektywność). 
 

Fazy lotu ważki (różnoskrzydłej)    źródło

Skoro mamy już samoloty i helikoptery, dlaczego poszukuje się innych sposobów latania?

Do czego ważki potrzebują słońca

Już pod koniec kwietnia rozpoczął się sezon na ważki. Spośród różnoskrzydłych widziałam dotąd szklarkę zieloną, a spośród równoskrzydłych całkiem sporo różnie ubarwionych okazów łątek(?). Niestety, jak dotąd nie interesowałam się ważkami równoskrzydłymi (w ubiegłym roku, późnym latem jakoś ich nie widywałam), ale teraz, skoro się pojawiły - kto wie? Może zajmę się i nimi, najpierw jednak chcę rozpracować do końca szablaki, które ostatnio zaniedbałam.
Niestety, z ważkami równoskrzydłymi mam pewien problem, o czym piszę na końcu.
Każdy kto spotkał ważkę, potwierdzi chyba, że jeśli gdzieś przysiada na dłuższą chwilę, to jest to miejsce słoneczne. Ważka wystawia całe swoje ciało na ciepłe promienie czerpiąc energię (ogrzewając się) - poprzez skrzydła oraz całe ciało. Jeśli jednak jest zbyt gorąco, wówczas ważka (różnoskrzydła) ustawia odwłok prostopadle do promieni słonecznych niczym obelisk, by w ten sposób chronić się przed przegrzaniem. Jedynie w czasie deszczu ważki kryją się pod liśćmi roślin.
Przed poderwaniem się do lotu ważki muszą zwiększyć temperaturę ciała. Jedne gatunki rozgrzewają się poprzez kurczenie i rozkurczanie mięśni pracujących podczas lotu, inne podwyższają temperaturę ciała, właśnie wygrzewając się w słońcu.
Odpowiednio wysoka temperatura ciała ważki, zwłaszcza samca, jak się okazuje - odgrywa istotną rolę w rozrodzie. Zostało to opisane w tym oto krótkim artykule:
 

Sto tysięcy pokoleń?

Wiedza o budowie, wyglądzie i rozmiarach prehistorycznych owadów oparta jest głównie na wynikach badań paleontologicznych i geologicznych. Odnaleziono tysiące skamieniałości owadów i dzięki temu mamy o nich jako takie pojęcie. Niestety, na wiele pytań dotyczących praważek czy innych owadów dotąd nie ma i pewnie nie znajdziemy w pełni wiarygodnych odpowiedzi.

Oto steszczenie artykułu, który przystępnie omawia wyniki badań naukowych dotyczących ewolucyjnej zmiany rozmiarów ssaków po wymarciu dinozaurów (ok. 65 milionów lat temu). Ciekawe, czy były możliwe (i czy rzeczywiście miały miejsce) analogiczne zmiany rozmiarów innych organizmów, w tym owadów?  W każdym razie artykuł wydał mi się interesujący i zainspirował do poszukiwań pewnych informacji.

Badania naukowców wykazały, że potrzeba aż 24 milionów pokoleń, by zwierzę wielkości myszy zwiększyło swe rozmiary do wielkości słonia. Stwierdzono też (było to zaskakujące), że ssaki morskie (np. wieloryby) analogicznej zmiany rozmiarów dokonały dwukrotnie szybciej. Zaznaczyć należy, że jako jednostkę pomiaru wzięto nie lata, lecz pokolenia - chodziło o to, by możliwie miarodajne porównać gatunki zwierząt o różnej długości życia. Na tym, zresztą, polegała wyjątkowość tych badań, ponieważ większość dotychczasowych koncentrowała się na mikroewolucji, drobnych zmianach zachodzących w obrębie gatunku.

Regulator przepływu optycznego owadów

W jaki sposób owady latające utrzymują wysokość lotu, jakie sygnały wizualne wykorzystują podczas startu, lotu i lądowania? Wyjaśniono to kilka lat temu przy pomocy specjalnie skonstruowanego latającego robota.
Owady (a także ptaki i nietoperze) potrafią kontrolować swą wysokość ponad ziemią, mimo że nie dysponują skomplikowanymi przyrządami dostępnymi dla pilota-człowieka. Francuscy naukowcy zaprojektowali mikro helikopter by sprawdzić teorię, według której owady wykorzystują układ znany jako "przepływ optyczny" do uzyskiwania informacji na temat swojej wysokości nad ziemią.
Kiedy owad leci w jego polu widzenia obraz ziemi pod nim ucieka do tyłu z szybkością, która jest odwrotnie proporcjonalna do wysokości, na jakiej leci on nad ziemią. Czyli na niewielkich wysokościach ziemia wydaje się "poruszać" szybciej niż wówczas, gdy obserwuje się ją z większych wysokości.

Przepływ optyczny wyraża długość odcinka, o jaki zdaje się przemieszczać względem poruszającego się obserwatora nieruchomy obiekt. Najbliższe dla obserwatora obiekty mają znacznie większy przepływ optyczny niż te znacznie bardziej od niego oddalone.

Badacze wysunęli hipotezę, że owady mają wewnętrzny regulator przepływu optycznego, w którym wykorzystywana jest pętla informacji zwrotnej do oceny stosunku prędkości względem ziemi do wysokości i wyposażyli swój mikro helikopter właśnie w tego rodzaju układ działający w następujący sposób: gdy ziemia poniżej "ucieka" zbyt wolno, owad będzie zniżał lot do momentu, w którym ta prędkość jest optymalna, zgodnie ze wskazaniami jego regulatora przepływu optycznego; natomiast jeżeli ruch ten jest zbyt szybki, owad będzie się wznosił.
Robot (o wadze 100 g) naśladował wiele elementów zachowań owadów podczas lotu, które dotąd zaobserwowano. Na przykład migrujące motyle, które muszą przekroczyć kanion, nie fruną po prostu górą w poprzek kanionu, lecz najpierw lecą w dół wzdłuż jednej ściany kanionu, następnie nad dnem i potem znowu w górę wzdłuż drugiej ściany. Podobnie jest w przypadku pokonywania takiej przeszkody jak las - wysokość, na której motyle lecą ponad drzewami jest taka sama, jak wcześniejsza wysokość nad ziemią.

Resilin - tworzywo przyszłości?

Elementy budowy ważek, w pojęciu maszyn latających, a nawet robotów, stanowią nie lada gratkę i wyzwanie dla konstruktorów, którzy szukają sposobów na skopiowanie technicznych rozwiązań występujących w przyrodzie. Co takiego jest w skrzydłach ważek, że potrafią tak szybko, precyzyjnie i ekonomicznie fruwać? Jak wspomniałam w poprzednim wpisie, aparat lotu ważki działa inaczej niż u większości owadów (te fruwają na zasadzie garnka i dociskanej, bądź unoszonej pokrywki). Otóż skrzydła ważki wspomagane są przez mocne mięśnie lotne znajdujące się w tułowiu i połączone są ze skrzydłami za pomocą stawów lotnych. A stawy te zbudowane są z materiału o szczególnych właściwościach mechanicznych, nazwanego resilinem. 
Michał Ostrowski opisuje go tak: "Jak żaden inny materiał jest on [ów resilin] bardzo elastyczny potrafiąc jednocześnie gromadzić dużą ilość energii, by ją potem, w odpowiedniej chwili, wyzwolić. To tak jakby zgnieść plastikową butelkę, która natychmiast po zgnieceniu wraca do poprzedniego kształtu. Resilin razem ze skrzydłami stanowi taki system ruchu, który pracuje z określoną częstotliwością". (źródło)
 

Czym zatem jest resilin?

Resilin jest elastomerowa forma białka występująca u wielu owadów. Znajduje się w tych częściach ciała, które umożliwiają wielu gatunkom owadów skuteczne poruszanie się lub machanie skrzydłami. Po raz pierwszy resilin został odkryty przez duńskiego zoologa Torkel'a Weis-Fogh'a (1922–1975) w stawach skrzydeł szarańczy.

Polowanie ważki to więcej niż pościg

Ważki są doskonałymi myśliwymi, osiągając skuteczność ponad 95% (97% - wyniki innych badań) swoich ataków ukierunkowanych na zdobycz. Naukowcy badający ważki próbują zrozumieć, na czym polegają ich niesamowite umiejętności łowieckie.
Ważki mają ogromny apetyt. Według badań przeprowadzonych przez doktora  Stacey'a Combes'a z Uniwersytetu w Harvardzie (USA), jedna ważka potrafi zjeść 30 muszek z rzędu bez oznak przesytu :-). Dziennie ważki zjadają kilkaset takich malutkich owadów (oczywiście atakują i zjadają także znacznie większe).
Ważki mogą śledzić (i skutecznie ścigać) swoje ofiary dzięki wysoko rozwiniętemu mózgowi, oczom i skrzydłom. Potrafią one przewidywać trajektorię lotu upatrzonego ruchomego celu oraz błyskawicznie dostosować tor własnego lotu, by zwiększyć prawdopodobieństwo schwytania zdobyczy.
Combes powiedział: "Zanim zabrałem się do zbadania skuteczności ważek w polowaniu założyłem,  że polega ona na aktywnym pościgu... Wygląda jednak na to, że jest to bardziej wyrafinowane: ważka zbliża się do zdobyczy od tyłu i poniżej, tak że ofiara nawet nie spodziewa się, że znalazła się w niebezpieczeństwie. Przypomina to zasadzki urządzane przez drapieżników".
Mimo, że większość owadów latających nie jest lubiana przez ludzi, z ważkami jest inaczej (są postrzegane pozytywnie). Zjadają one mnóstwo nieznośnych moskitów/komarów, a niektóre mogą zjeść ich setki dziennie(!!).
Ważki potrafią latać z prędkością do 30 mil/h, czyli ok. 48,28 km na godzinę (ale proszę pamiętać o rekordzistce - 58 km/h).

Przełączanie między "ON" i "OFF" - widzenie ważek

Ważki widzą przez przełączanie neuronów między "ON" i "OFF" - odkrycie S. Wiederman i D. O'Carroll

Sposób widzenia ważek, a właściwie aktywność ich mózgu w obecności potencjalnego celu (do zjedzenia) stał się przedmiotem dociekliwych badań sympatycznie wyglądających naukowców z dalekiej Australii. Dlaczego? Ano, z powodu obiecującej prostoty tego "układu", który spece od robotów z pewnością chcieliby zastosować.
O ile poprzedni artykuł badaczy z grudnia 2012 został spolszczony, trochę przeredagowany i opublikowany na stronie Kopalnia Wiedzy (ja zrobiłam to po swojemu tutaj), o tyle kolejny z 15 sierpnia 2013 r. jakoś dotąd nie. Pozwoliłam sobie zatem przetłumaczyć go po swojemu przy niemałym udziale Google'owego Tłumacza, który to, niestety, jeszcze trochę musi się podszkolić (w tłumaczeniu), a ja, z pewnością - w neuronauce, biologii, anatomii, robotyce i czym tam jeszcze. Ale chęci miałam jak najlepsze  :-) .
Oto moja (nasza) wersja jego treści - czasem musiałam dodać coś od siebie, by opis odkrycia był bardziej zrozumiały, choćby dla mnie, nie mającej bladego pojęcia o jak wyrafinowanym przedmiocie i celu badań z dziedziny neuronauki wypowiadali się ww. badacze.
 

University of Adelaide badacze (z lewej) profesor nadzwyczajnyr David O'Carroll i dr Steven Wiederman z ważką pod mikroskopem w Adelaide Centre for Neuroscience Research.
Autor zdjęcia: Dale Caville.

 

Ważki widzą przez przełączanie neuronów między "ON" i "OFF"

Naukowcy z Uniwersytetu w Adelajdzie odkryli nową i kompleksową mapę obwodu wizualnego w mózgu ważki, która w przyszłości może przyczynić się do poprawy systemów wizyjnych stosowanych w robotach. Dr Steven Wiederman i profesor nadzwyczajny David O'Carroll z australijskiego Uniwersytetu w Adelajdzie z Wydziału Neuronauki zbadali podstawowe procesy widzenia owadów oraz możliwości zastosowania tej wiedzy w dziedzinie robotyki i sztucznych systemów wizyjnych.

Ich najnowsze odkrycie, opublikowane w sierpniu 2013 w „Journal of Neuroscience”, polega na stwierdzeniu, że w mózgach ważek występują połączone przeciwstawne ścieżki - zarówno „włączony i dostępny” (ON), jak i „wyłącznik” (OFF), biorące udział w przetwarzaniu informacji o prostych, ciemnych obiektach (chodzi o owady, na które polują).

Wybiórcza uwaga ważek

W trakcie moich fotograficznych sesji z udziałem ważek wielokrotnie miały miejsce króciutkie przerwy, w czasie których wielce pożądany obiekt znikał mi z pola widzenia, by niemal natychmiast wrócić w to samo lub bardzo blisko położone miejsce (różnica do 1-3 cm). Początkowo bałam się, że spłoszyłam ważkę lub mam pecha i ta, po prostu, odleciała w siną dal. Byłam więc bardzo zadowolona, gdy po chwilce mojej dezorientacji (odejść, by szukać ważki gdzie indziej, czy pozostać - a nuż wróci?), ważka meldowała się na miejscu i mogłam kontynuować jej obserwację i fotografowanie. Ale dlaczego ona w ogóle odlatywała - błyskawicznie zrywając się do lotu, a potem nieco spokojniej lądując?
 
Otóż jej nieobecność trwająca 2-4 sekundy była wystarczająca, by upolować jakiegoś maleńkiego owada przelatującego w pobliżu, którego ani ja, ani mój aparat nie zarejestrowaliśmy. O świetnym (acz z pewnymi ograniczeniami) wzroku ważki napiszę osobno. Wspomnieć jednak należy, że postrzeganie obrazu przez ważkę jest znacznie szybsze - co najmniej dziesięciokrotnie większe niż u człowieka. Zatem, nawet gdybym dostrzegła zawczasu przyszłą ofiarę ważki np. komara osiągająceo prędkość lotu ok. 5,5 km/h, czyli ponad 1,5 m/s, to ważka zobaczyłaby ślamazarę wlokąca się z prędkością jakichś 15 cm na sekundę (wg jej postrzegania).
Stwierdzono, że ważki są doskonałymi myśliwymi, dlatego niemal każdy powrót ważki na zajętą wcześniej pozycję (punkt patrolowy) graniczy z pewnością, że ów mały wypad był skuteczny.
A oto, co ciekawego znalazłam w sprawie niesamowitych wręcz zdolności ważek. Chodzi o selektywność uwagi, dotąd przypisywaną wyłącznie naczelnym.
Tę interesującą właściwość ilustruje ów króciutki filmik:

Można tu zaobserwować selektywne zachowanie ważki, która wisząc nad wodą upatrzyła sobie maleńkiego owada na przekąskę. Mimo, iż chwilkę później nadleciał znacznie większy i smakowitszy kąsek, ta zignorowała go (nie wzięła go już pod uwagę) i nie zmieniła swych planów. Następnie w błyskawicznym zwrocie przecięła linię lotu maleńkiej muszki...