WebLox Editör
Moderatör
Sinek kanatları, yüz milyonlarca yıl önce, karmaşık bir menteşe yapısıyla vücuda bağlanan yeni bir yapı olarak evrimleşti. Çok küçük kas hareketlerini uçuşa dönüştürebilen bu yapı, biyologlar için evrimsel bir gizem olmaya devam ediyor.Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü (Caltech)'te böcek uçuşu üzerine çalışan araştırmacı ve biyomühendislik ve havacılık profesörü Michael Dickinson, böceklerin kanat menteşesini, yaşamın evriminde gerçekleşen en önemli ve en muhteşem yapılardan biri olarak nitelendiriyor.
Kanat menteşesini kontrol etmede her bir kasın oynadığı rolü daha iyi anlamak için Dickinson ve arkadaşları, meyve sineğinin kas hareketini ve bunun sonucunda ortaya çıkan kanat hareketini aynı anda kaydedecek bir deney tasarladı. Kanat menteşesinin kendisi gibi deney düzeneği de karmaşık olarak tasarlandı. Araştırmacılar, böceği hareket halinde tutarken, sineğin 12 minik kanat kasının tamamına ilişkin yüksek hassasiyetli verileri ve üç boyutlu kanat hareketi desenlerini kaydetmeyi başardı. Dickinson, "Bütün bunları aynı anda yapmak çok büyük miktarda mühendislik gerektiriyordu" diyor.
Panoramik LED ekranlarla sineğin uçuşu kontrol edildi
Sinek, çevresel işaretleri simüle etmek için bir dizi panoramik LED ekranla sarıldı. Dickinson, bu işaretlerin sinek için etkili bir "video oyunu" atmosferi yarattığını ve sineğin uçuş düzenini değiştirmesine neden olduğunu söylüyor. Panoramik ekran, sineğin sola, sağa, yukarı veya aşağı uçmasını, ayrıca hızlanmasını veya yavaşlamasını sağlayacak şekilde değişebiliyor.
Sinekler saniyede 200 ışık titreşimini yakalayabiliyor
Dickinson, LED panellerin sinek deneylerinde sıklıkla kullanıldığını, çünkü böceklerin gezegendeki en hızlı görsel sistemlere sahip olduğunu ve ışık titreşimlerini saniyede yaklaşık 200 defaya kadar ayırt edebildiğini söylüyor. Karşılaştırmak gerekirse, çoğu video saniyede 24 kare hızında çekiliyor. Dickinson, sineklerin bu videoları slayt gösterisi gibi görebileceğini belirtiyor.
Sineklerin kas hareketlerini kaydetmek için ise genetik mühendisliğinden faydalanıldı, böylece kaslar, aktif olduğunda parlayacak şekilde ayarlandı. Bir mikroskop, floresan eklenmiş kasları uyarmak için belirli bir dalga boyundaki ışığı sinek üzerine yansıtacak ve ardından uyarılan kaslardan yayılan ışığı kaydedecek şekilde tasarlandı.
15.000 fps'lik üç kamerayla kanat hareketleri kaydedildi
Bu arada, kanat hareketi, saniyede 15.000 kare kaydebilen üç yüksek hızlı kamerayla yakalandı. Böceğin uçuşunda önemli değişikliklere neden olabilecek kas hareketlerindeki küçük değişiklikleri yakalamak için kameraların aynı zamanda yüksek uzaysal çözünürlükte çalışması gerekiyordu. Son derece kısa pozlama süresi nedeniyle, kameraların görüntü üretmek için çok fazla ışığa ihtiyaç duyuldu. Araştırmacılar, görüntü çekerken böceklerin körleşmesini önlemek için kızılötesi kameralar kullandı.
Son olarak düzeneğe, her kanat çırpışının boyutu hakkında gerçek zamanlı geri bildirim sağlayan üçüncü bir kamera yerleştirildi. Böylece, LED simülasyonunun sineğin uçuşuna verdiği tepkinin yönlendirilebilmesi sağlandı.
Deneyde, eğitim ve test veri kümesine bölünmüş 72.000 kanat atışını kapsayan terabaytlarca veri toplandı. Eğitim verileri daha sonra, kas aktivitesine dayalı olarak kanat hareketini tahmin eden bir sinir ağı geliştirmek için kullanıldı. Dickinson, "Bu kas sisteminin yapabileceklerinin zenginliğini elde etmek için çok çeşitli uçuş modellerine ilişkin çok sayıda veriye ihtiyacımız vardı" diyor.
Hayvanlarla çalışmak, deneyin geliştirilmesinde ek zorluklar ortaya çıkardı. Örneğin, ışıklar ve elektronik aletler ısı ürettiği için araştırmacılar odanın yeterince soğuk olduğundan emin olmak zorundaydı. Araştırmacılar, deneyde kullanılan meyve sineklerinin 25 °C'nin üzerindeki koşullarda uçma konusunda isteksiz olduğunu belirtiyor.
Şu anda araştırmacılar, kasları görüntülemek için genetiği değiştirilebilen tek tür olan bu laboratuvar meyve sinekleri üzerinde çalışıyor. Ayrıca, gelecekte sivrisineklerin kullanıldığı diğer deneylerle sonuçlarını karşılaştırmayı umuyorlar. İlerisi için ise, böceklerin kanatlarının ilkelerini kullanarak fiziksel yapılar tasarlamaya yönelik bir bilgisayar simülasyonu oluşturmayı planlıyorlar.
Kanat menteşesini kontrol etmede her bir kasın oynadığı rolü daha iyi anlamak için Dickinson ve arkadaşları, meyve sineğinin kas hareketini ve bunun sonucunda ortaya çıkan kanat hareketini aynı anda kaydedecek bir deney tasarladı. Kanat menteşesinin kendisi gibi deney düzeneği de karmaşık olarak tasarlandı. Araştırmacılar, böceği hareket halinde tutarken, sineğin 12 minik kanat kasının tamamına ilişkin yüksek hassasiyetli verileri ve üç boyutlu kanat hareketi desenlerini kaydetmeyi başardı. Dickinson, "Bütün bunları aynı anda yapmak çok büyük miktarda mühendislik gerektiriyordu" diyor.
Panoramik LED ekranlarla sineğin uçuşu kontrol edildi
Sinek, çevresel işaretleri simüle etmek için bir dizi panoramik LED ekranla sarıldı. Dickinson, bu işaretlerin sinek için etkili bir "video oyunu" atmosferi yarattığını ve sineğin uçuş düzenini değiştirmesine neden olduğunu söylüyor. Panoramik ekran, sineğin sola, sağa, yukarı veya aşağı uçmasını, ayrıca hızlanmasını veya yavaşlamasını sağlayacak şekilde değişebiliyor.
Sinekler saniyede 200 ışık titreşimini yakalayabiliyor
Dickinson, LED panellerin sinek deneylerinde sıklıkla kullanıldığını, çünkü böceklerin gezegendeki en hızlı görsel sistemlere sahip olduğunu ve ışık titreşimlerini saniyede yaklaşık 200 defaya kadar ayırt edebildiğini söylüyor. Karşılaştırmak gerekirse, çoğu video saniyede 24 kare hızında çekiliyor. Dickinson, sineklerin bu videoları slayt gösterisi gibi görebileceğini belirtiyor.
Sineklerin kas hareketlerini kaydetmek için ise genetik mühendisliğinden faydalanıldı, böylece kaslar, aktif olduğunda parlayacak şekilde ayarlandı. Bir mikroskop, floresan eklenmiş kasları uyarmak için belirli bir dalga boyundaki ışığı sinek üzerine yansıtacak ve ardından uyarılan kaslardan yayılan ışığı kaydedecek şekilde tasarlandı.
15.000 fps'lik üç kamerayla kanat hareketleri kaydedildi
Bu arada, kanat hareketi, saniyede 15.000 kare kaydebilen üç yüksek hızlı kamerayla yakalandı. Böceğin uçuşunda önemli değişikliklere neden olabilecek kas hareketlerindeki küçük değişiklikleri yakalamak için kameraların aynı zamanda yüksek uzaysal çözünürlükte çalışması gerekiyordu. Son derece kısa pozlama süresi nedeniyle, kameraların görüntü üretmek için çok fazla ışığa ihtiyaç duyuldu. Araştırmacılar, görüntü çekerken böceklerin körleşmesini önlemek için kızılötesi kameralar kullandı.
Son olarak düzeneğe, her kanat çırpışının boyutu hakkında gerçek zamanlı geri bildirim sağlayan üçüncü bir kamera yerleştirildi. Böylece, LED simülasyonunun sineğin uçuşuna verdiği tepkinin yönlendirilebilmesi sağlandı.
Deneyde, eğitim ve test veri kümesine bölünmüş 72.000 kanat atışını kapsayan terabaytlarca veri toplandı. Eğitim verileri daha sonra, kas aktivitesine dayalı olarak kanat hareketini tahmin eden bir sinir ağı geliştirmek için kullanıldı. Dickinson, "Bu kas sisteminin yapabileceklerinin zenginliğini elde etmek için çok çeşitli uçuş modellerine ilişkin çok sayıda veriye ihtiyacımız vardı" diyor.
Hayvanlarla çalışmak, deneyin geliştirilmesinde ek zorluklar ortaya çıkardı. Örneğin, ışıklar ve elektronik aletler ısı ürettiği için araştırmacılar odanın yeterince soğuk olduğundan emin olmak zorundaydı. Araştırmacılar, deneyde kullanılan meyve sineklerinin 25 °C'nin üzerindeki koşullarda uçma konusunda isteksiz olduğunu belirtiyor.
Şu anda araştırmacılar, kasları görüntülemek için genetiği değiştirilebilen tek tür olan bu laboratuvar meyve sinekleri üzerinde çalışıyor. Ayrıca, gelecekte sivrisineklerin kullanıldığı diğer deneylerle sonuçlarını karşılaştırmayı umuyorlar. İlerisi için ise, böceklerin kanatlarının ilkelerini kullanarak fiziksel yapılar tasarlamaya yönelik bir bilgisayar simülasyonu oluşturmayı planlıyorlar.