Οι σταγόνες της βροχής δεν πέφτουν στα κουνούπια
Ένα κουνούπι βουίζει προς ένα ανοιχτό παράθυρο, το ανυποψίαστο θύμα του κοιμάται ήσυχα στο κρεβάτι. Ξαφνικά, μια σταγόνα βροχής που ζυγίζει περίπου 50 φορές περισσότερο από το κουνούπι πέφτει κατευθείαν προς το έντομο. Η πτώση θα πρέπει να έχει την επίδραση ενός λεωφορείου που τρέχει πάνω από έναν άνθρωπο και να οδηγεί το κουνούπι προς τα κάτω με δύναμη έως και 300 φορές μεγαλύτερη από αυτή της βαρύτητας.
Δυστυχώς για το επόμενο θύμα του κουνουπιού, το παράσιτο θα επιβιώσει από αυτή τη σύγκρουση.
Αυτό είναι το συμπέρασμα μιας ομάδας μηχανικών και βιολόγων στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στην Ατλάντα, η οποία χρησιμοποίησε έναν συνδυασμό βίντεο σε πραγματικό χρόνο και εξελιγμένων μαθηματικών για να αποδείξει ότι η στιβαρή κατασκευή του ελαφρού εντόμου επιτρέπει στο κουνούπι να αποφύγει την επίθεση ακόμη και μεγαλύτερη σταγόνα βροχής. Τα ευρήματα προσφέρουν ελάχιστη βοήθεια στον έλεγχο του παρασίτου, αλλά θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους μηχανικούς να βελτιώσουν τον σχεδιασμό των μικροσκοπικών ιπτάμενων ρομπότ.
Οι μηχανικοί αεροπορίας γνωρίζουν πολλά για το πώς η βροχή βλάπτει την πτήση των αεροπλάνων. Η δυνατή βροχή αυξάνει την αντίσταση, μειώνει την ανύψωση και αυξάνει τον κίνδυνο ακινητοποίησης. Όμως η έρευνα για την επίδραση του νερού στα ιπτάμενα ζώα είναι αραιή. Μια πρόσφατη μελέτη σε νυχτερίδες, με επικεφαλής τον βιολόγο Christian Voigt του Ινστιτούτου Leibniz για Ζωολογικούς Κήπους και Έρευνα Άγριας Ζωής στο Βερολίνο, διαπίστωσε ότι αυτά τα γούνινα ιπτάμενα χρειάζονται περίπου διπλάσια ενέργεια για να τροφοδοτήσουν τη βροχή σε σύγκριση με τις ξηρές συνθήκες. Ακόμα, αν και ορισμένοι ερευνητές έχουν μελετήσει τη δυναμική της πτήσης των εντόμων κάτω από διάφορες συνθήκες, οι επιστήμονες γνωρίζουν πολύ λίγα για τις επιπτώσεις της βροχής.
Για να καλύψουν αυτό το κενό γνώσης, ο μηχανολόγος μηχανικός David Hu και οι συνάδελφοί του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια αποφάσισαν να υποβάλουν το θέμα Anopheles τα κουνούπια, το κύριο έντομο που μολύνει τους ανθρώπους με ελονοσία, σε συνθήκες τεχνητής βροχής. Η ομάδα του Hu είναι ήδη γνωστή για τις μελέτες της για τις αλληλεπιδράσεις νερού-ζώων, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής του τρόπου με τον οποίο τα υγρά σκυλιά στεγνώνουν τον εαυτό τους αποτινάζοντας το νερό. Η ομάδα κατασκεύασε αυτό που αποκαλεί «αρένα πτήσεων», ένα ακρυλικό κλουβί ύψους 20 εκατοστών καλυμμένο με διχτυωτό επάνω μέρος που επέτρεπε το νερό να εισέλθει αλλά εμπόδιζε τα κουνούπια να διαφύγουν. Σε έναν αρχικό γύρο πειραμάτων, οι ερευνητές πυροβόλησαν πίδακες νερού στο κλουβί για να προσομοιώσουν σταγόνες βροχής που πέφτουν 10 μέτρα, το ύψος στο οποίο επιτυγχάνουν τη μέγιστη ταχύτητά τους. Έξι κουνούπια που τοποθετήθηκαν στο κλουβί μαγνητοσκοπήθηκαν στη συνέχεια με βιντεοκάμερα υψηλής ταχύτητας που κατέγραψε 4000 καρέ ανά δευτερόλεπτο.
Ήταν σαν ένα παιχνίδι φλίπερ εντόμων. Και τα έξι κουνούπια μπόρεσαν να ανακάμψουν από τις πτώσεις χωρίς να πέσουν στο κάτω μέρος του κλουβιού. Σε ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα, ένα κουνούπι που χτυπήθηκε από μια σταγόνα νερού έπεσε σε απόσταση 13 μηκών σώματος πριν αποχωριστεί από τη σταγόνα και πετάξει πλευρικά για να προσγειωθεί στο πλάι της αρένας. Για καλύτερη εικόνα του τι συνέβαινε, η ομάδα υπέβαλε 20 κουνούπια σε σταγόνες που έπεφταν πιο αργά. Τα βίντεο έδειξαν ότι οι περισσότερες από τις συγκρούσεις ήταν χτυπήματα στα φτερά και τα πόδια και όχι στα σώματα των εντόμων. Οι κρούσεις προκάλεσαν τα κουνούπια να ρίξουν, να κυλήσουν ή να κυλήσουν ανάλογα με το πού χτυπήθηκαν.
Αλλά ακόμη και όταν τα κουνούπια δέχτηκαν ένα άμεσο χτύπημα, συνέχισαν να συνέλθουν αφού έπεσαν όχι περισσότερο από περίπου 20 μήκη σώματος. Ο Χου και οι συνάδελφοί του υπέθεσαν ότι λόγω της χαμηλής μάζας των εντόμων - περίπου 2 χιλιοστόγραμμα, ενώ μια σταγόνα βροχής μπορεί να φτάσει τα 100 χιλιοστόγραμμα - η σταγόνα χάνει πολύ μικρή ταχύτητα και ορμή όταν συναντά το κουνούπι και έτσι μεταδίδει πολύ λίγη πραγματική δύναμη στο το. Για να ελέγξει αυτή την υπόθεση, η ομάδα κατασκεύασε «μιμήσεις» εντόμων από μικρές σφαίρες από φελιζόλ ίδιου βάρους και μεγέθους με τα κουνούπια. Όταν οι ερευνητές απελευθέρωσαν τις σφαίρες στην αρένα, στιγμιαία αιωρήθηκαν στον αέρα καθώς σταγόνες νερού συγκρούστηκαν μαζί τους από ψηλά.
Τα πειράματα έδειξαν ότι οι σταγόνες νερού, οι οποίες κυμαίνονταν μεταξύ μίας και 300 φορές το βάρος των μιμικών, επιβραδύνθηκαν μόνο 2% έως 17% κατά την πρόσκρουση. Η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι σταγόνες της βροχής παραμορφώνονται και παρακάμπτουν σε μεγάλο βαθμό τα πολύ μικρότερα σώματα των κουνουπιών. Ο Χου και οι συν-συγγραφείς του προτείνουν στην έκθεσή τους, που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο αυτή την εβδομάδα στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών , ότι αυτό το εκπληκτικό αποτέλεσμα οφείλεται όχι μόνο στην ελαφρότητα του κουνουπιού αλλά και στον εξωσκελετό του, το σκληρό εξωτερικό κάλυμμα που προστατεύει τα εσωτερικά του όργανα.
Για να επιβεβαιώσουν τα ευρήματά τους, η ομάδα υπέβαλε τα κουνούπια σε ένα τελευταίο τεστ αντοχής, συμπιέζοντας το σώμα των εντόμων για να αποκαλύψει ποιες δυνάμεις μπορούσαν πραγματικά να αντέξουν. Η ομάδα είχε υπολογίσει ότι ο αντίκτυπος μιας σταγόνας βροχής ήταν μεταξύ 200 και 600 dyne, ένα τυπικό μέτρο της εφαρμοζόμενης δύναμης. Αφού υποβλήθηκαν σε συμπίεση περίπου 3000 έως 4000 dyne, πολλές φορές την πρόσκρουση μιας σταγόνας βροχής, τα κουνούπια ήταν ακόμα σε θέση να πετάξουν μόλις απελευθερωθούν.
Ο Robert Dudley, ειδικός σε πτήσεις εντόμων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, λέει ότι το έγγραφο «δείχνει πειστικά ότι τα κουνούπια επιβιώνουν και αντισταθμίζουν μηχανικά τις μεμονωμένες κρούσεις σχετικά μεγάλων πτώσεων νερού κυρίως λόγω της χαμηλής μάζας τους καθώς και του εύκαμπτου εξωσκελετού τους. ." Ο Voigt προσθέτει ότι η μελέτη είναι μια «υπέροχη συμβολή» στην κατανόησή μας για το πώς αποδίδουν τα ιπτάμενα ζώα κάτω από διάφορες καιρικές συνθήκες. Ο Voigt λέει ότι «χτυπήθηκε πραγματικά, όπως τα κουνούπια» από τις πολύ υψηλές δυνάμεις G, έως και 300 φορές τη βαρύτητα, στην οποία υπόκεινται τα έντομα, η οποία είναι η «υψηλότερη καταγεγραμμένη ποτέ επιτάχυνση που έχουν επιβιώσει τα ζώα». (Οι άνθρωποι μπορούν να αντέξουν μόνο περίπου 25 G.)
Ο Hu λέει ότι τα αποτελέσματα της ομάδας του μπορεί να έχουν επιπτώσεις στον σχεδιασμό των λεγόμενων μικροαεροπορικών οχημάτων (MAV), μερικά από τα οποία είναι τόσο μικρά όσο λιβελλούλες και χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο από τον στρατό για επιτήρηση σε εμπόλεμες ζώνες και για έρευνα και επιχειρήσεις διάσωσης. Ο Voigt, ωστόσο, είναι δύσπιστος. «Είμαστε πολύ μακριά από τη δημιουργία εναέριων ρομπότ στο μέγεθος ενός κουνουπιού», λέει, «δεν είμαι σίγουρος αν αυτά τα ευρήματα μπορούν να ενσωματωθούν» σε ανώτερα σχέδια MAV.
