Con sus cuerpos estirados, su inmensa envergadura y sus colores iridiscentes, las libélulas son una vista única. Pero su originalidad no termina con su apariencia: como una de las especies de insectos más antiguas del planeta, son uno de los primeros innovadores del vuelo aéreo.
Ahora, un grupo dirigido por Jane Wang, profesora de ingeniería mecánica y física en la Facultad de Artes y Ciencias, ha desenredado los intrincados controles neuronales y físicos que permiten a las libélulas enderezarse mientras caen.
La investigación revela una cadena de mecanismos que comienza con los ojos de la libélula, los cinco, y continúa a través de sus músculos y el tono de sus alas.
El artículo del equipo, «Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex», publicado el 12 de mayo en Ciencia. Wang fue coautor del artículo con James Melfi, Ph.D. ’15, y Anthony Leonardo del Instituto Médico Howard Hughes (HHMI) en Ashburn, Virginia.
Durante dos décadas, Wang ha estado utilizando modelos matemáticos complejos para comprender la mecánica del vuelo de los insectos. Para Wang, la física es tan importante como la genética para explicar la evolución de los organismos vivos.
«Los insectos son las especies más abundantes y fueron los primeros en descubrir el vuelo aéreo. Y las libélulas son algunos de los insectos más antiguos», dijo Wang. «Tratar de ver cómo se enderezaban en el aire nos daría una idea tanto del origen del vuelo como de cómo los animales desarrollaron neurocircuitos para mantener el equilibrio en el aire y navegar por el espacio».
El proyecto comenzó hace varios años cuando Wang era científica visitante en el Campus de Investigación Janelia del HHMI, donde su colaborador Leonardo estaba rastreando libélulas en 3D en una gran arena. Wang se inspiró para examinarlos más de cerca.
«Cuando observamos su comportamiento de vuelo, estábamos asombrados y frustrados al mismo tiempo», dijo. «Las trayectorias son complejas e impredecibles. Las libélulas realizan maniobras constantemente, sin seguir ninguna dirección obvia. Es misterioso».
Para estudiar estas dinámicas de vuelo y los algoritmos internos que las gobiernan, Wang y Melfi diseñaron un experimento de comportamiento controlado en el que una libélula se dejaría caer boca abajo desde una atadura magnética, una premisa no muy diferente de los famosos experimentos del gato que cae del siglo XIX que mostró cómo ciertos «reflejos cableados» dieron como resultado que los felinos cayeran de pie.
Wang y Melfi descubrieron que al soltar una libélula con cuidado sin contacto con las piernas, las desconcertantes maniobras del insecto en realidad seguían el mismo patrón de movimiento, que los investigadores pudieron capturar con tres cámaras de video de alta velocidad filmando a 4000 cuadros por segundo. Se colocaron marcadores en las alas y el cuerpo de la libélula, y los movimientos se reconstruyeron mediante un software de seguimiento en 3D.
Luego vino la parte más desafiante: tratar de dar sentido a los movimientos. Los investigadores tuvieron que considerar numerosos factores, desde la aerodinámica inestable de las interacciones del ala y el aire hasta la forma en que el cuerpo de una libélula responde al aleteo de sus alas. También existe esa fuerza perspicaz con la que todos los seres terrenales eventualmente deben enfrentarse: la gravedad.
Wang y Melfi pudieron crear un modelo computacional que simuló con éxito las acrobacias aéreas de la libélula. Pero quedó una pregunta clave: ¿Cómo saben las libélulas que están cayendo, para que puedan corregir su trayectoria?
Wang se dio cuenta de que, a diferencia de los humanos que tienen un sentido de inercia, las libélulas podían confiar en sus dos sistemas visuales, un par de grandes ojos compuestos y tres ojos simples llamados ocelos, para medir su verticalidad.
Puso a prueba su teoría bloqueando los ojos de una libélula con pintura y repitiendo el experimento. Esta vez, la libélula tuvo muchas más dificultades para recuperarse en pleno vuelo.
«Estos experimentos sugieren que la visión es la primera y principal vía para iniciar el reflejo de enderezamiento de la libélula», dijo Wang.
Esa señal visual desencadena una serie de reflejos que envían señales neuronales a las cuatro alas de la libélula, que son impulsadas por un conjunto de músculos directos que modulan la asimetría de tono del ala izquierda y derecha en consecuencia. Con tres o cuatro movimientos de ala, una libélula puede girar 180 grados y reanudar el vuelo con el lado derecho hacia arriba. Todo el proceso tarda unos 200 milisegundos.
«Lo que fue difícil fue descubrir la estrategia de control clave a partir de los datos experimentales», dijo Wang. «Nos tomó mucho tiempo comprender el mecanismo por el cual una pequeña cantidad de asimetría de tono puede conducir a la rotación observada. La asimetría clave está oculta entre muchos otros cambios».
La combinación de análisis cinemático, modelado físico y simulaciones de vuelo en 3D ahora brinda a los investigadores una forma no invasiva de inferir las conexiones cruciales entre los comportamientos observados de un animal y los procedimientos internos que los controlan. Estos conocimientos también pueden ser utilizados por ingenieros que buscan mejorar el rendimiento de pequeñas máquinas voladoras y robots.
«El control de vuelo en la escala de tiempo de decenas o cientos de milisegundos es difícil de diseñar», dijo Wang. “Las pequeñas máquinas que aletean ahora pueden despegar y girar, pero aún tienen problemas para permanecer en el aire. Cuando se inclinan, es difícil de corregir. Una de las cosas que los animales tienen que hacer es precisamente resolver este tipo de problemas”.
La investigación fue apoyada por el Programa de Científicos Visitantes del Campus de Investigación Janelia y la Beca Simons en Matemáticas.
