H μαγική πτήση των νυχτερίδων

Κάθε σούρουπο, μυριάδες θηλαστικά του πλανήτη απογειώνονται και ξεκινούν ένα ανελέητο κυνήγι. Δεν έχουν μάτια κουκουβάγιας ούτε φτερά αετού, αλλά αντιλαμβάνονται περισσότερα από αυτήν και πετούν πολύ πιο ευέλικτα από αυτόν. Είναι οι νυχτερίδες.

Ο άνθρωπος ποτέ του δεν τις χώνεψε, είτε γιατί παλαιόθεν διεκδικούσε τις ίδιες σπηλιές είτε γιατί απέδιδε τις νυχτερινές τους εξόδους σε «καλέσματα μαγισσών». Ιδίως μάλιστα αφότου οι ισπανοί κονκισταδόρες γύρισαν στην Ευρώπη μιλώντας για τις «νυχτερίδες-βρικόλακες» του Νέου Κόσμου –τα βαμπίρ, που έπιναν αίμα –η απέχθεια έγινε τρόμος και μίσος. Κι όμως. Από τα συνολικά 1.240 είδη νυχτερίδων που υπάρχουν στον πλανήτη μόλις τρία πίνουν αίμα, ένα τρώει ψάρια, σχεδόν το 30% των ειδών καταναλώνει νέκταρ ανθέων και φρούτα, ενώ το υπόλοιπο 70% τρώει έντομα σε… απίστευτες ποσότητες: μέχρι και περισσότερα από 8.000 έντομα η κάθε νυχτερίδα, κάθε νύχτα!

Μη γνωρίζοντας αυτή τους τη «φιλανθρωπική δράση», ο άνθρωπος συνέχισε να αποφεύγει με αηδία τις νυχτερίδες, μέχρι αρκετά πρόσφατα. Και μόνο έπειτα από μια εντυπωσιακή συνάθροιση επιστημονικών μελετών για αυτές άρχισε να κατανοεί ότι έχει πολλά απίστευτα να διδαχθεί από τους «ιπτάμενους τυφλοπόντικες».

Για την πλήρη διαλεύκανση του αινίγματος χρειάστηκε να περάσει άλλος ενάμισης αιώνας. Στη δεκαετία του 1930, ο φοιτητής Βιολογίας του αμερικανικού πανεπιστημίου Χάρβαρντ Donald R. Griffin ανακάλυψε και εξήγησε το σύστημα ηχοεντοπισμού των νυχτερίδων: εκπέμπουν συνεχόμενες ριπές υπερήχων και συγκρίνουν τους εκπεμπόμενους παλμούς με την ηχώ που επιστρέφει (άκου ηχητικό δείγμα στο http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pipistrellus.ogg). Από τις διαδοχικές συγκρίσεις ο εγκέφαλος της νυχτερίδας χτίζει όχι μόνον έναν χάρτη τους περιβάλλοντός της (σαν ραντάρ) αλλά και ανιχνεύει, εντοπίζει και κατατάσσει την όποια λεία της σε αυτό. Κορυφαίο εργαλείο της σε όλη αυτή την ηχοεπεξεργασία είναι, βέβαια, τα ιδιαίτερα δομημένα αφτιά της νυχτερίδας.

Εξετάζοντας ανατομικά τις νυχτερίδες, οι βιολόγοι είδαν ότι είχαν μια βασικότατη διαφορά με τα πουλιά: ενώ εκείνα πετούν ανεβοκατεβάζοντας τους βραχίονες, οι νυχτερίδες αρκούνται στο να ανεβοκατεβάζουν τα δάχτυλα των χεριών τους. Γιατί γίνεται αυτό; Διότι τα φτερά των νυχτερίδων αποτελούνται από δερματική μεμβράνη που ενώνει τέσσερα υπερμεγέθη δάκτυλα σε κάθε χέρι τους. Οπότε και η επιστημονική ονομασία που έδωσαν οι βιολόγοι σε αυτά τα μοναδικά ιπτάμενα θηλαστικά είναι «χειρόπτερα».

Το περιστατικό που άφησε άφωνους τους επιστήμονες και τους έκανε να ψάξουν εκτενέστερα τα μυστικά πτήσης αυτών των πλασμάτων συνέβη το 1960, όταν ο Αμερικανός Frederic A. Webster κατόρθωσε να φωτογραφίσει νυχτερίδες με μια μηχανή υπερυψηλής ταχύτητας (1.000 φωτογραφίες ανά δευτερόλεπτο). Ανακάλυψε τότε ότι οι νυχτερίδες έπιναν νερό επιτελώντας μια απίστευτη «αεροπλανική φιγούρα»: πλησίαζαν πετώντας την επιφάνεια του νερού και, ανοίγοντας το σαγόνι τους, έπιναν μια γουλιά. Οι μεγάλου μεγέθους νυχτερίδες –όπως η «νυχτερίδα-αλεπού» της Μαλαισίας, με άνοιγμα πτερύγων 1,5 μέτρο –προτιμούν να «ξυρίζουν» το νερό βρέχοντας τη γούνα τους και να δροσίζονται αργότερα, γλείφοντάς την.

Πέρασαν πενήντα χρόνια για να αντιληφθούν οι ερευνητές, το 2010 (βλ. www.nature.com/ncomms/journal/v1/n8/full/ncomms1110.html), ότι αυτή η ακροβατική πτητική ικανότητα έχει κωδικοποιηθεί στη «γονιδιακή μνήμη» των νυχτερίδων: ακόμη και τα νεογέννητα αναγνωρίζουν ηχητικά τη λεία επιφάνεια του στάσιμου νερού και κάνουν τη μανούβρα πόσης. Στα πειράματα των επιστημόνων οι νυχτερίδες ξεγελιόνταν και κοντοζύγωναν ανοίγοντας το στόμα ακόμη και σε επιφάνειες μετάλλου ή καθρέφτη επειδή ήταν απόλυτα λείες.

Εκτοτε, η ανακάλυψη του μηχανισμού επίτευξης των πτητικών προσόντων των νυχτερίδων έγινε θέμα έρευνας όχι μόνο των βιολόγων και των νευροεπιστημόνων αλλά και των… αεροναυπηγών.

Το νέο μεγάλο εύρημα των επιστημόνων ήρθε το 2012, όταν ερευνητές του Πανεπιστημίου του Βόρειου Κολοράντο δημοσίευσαν τις παρατηρήσεις τους από τη βιντεοσκόπηση των νυχτεριδο-πτήσεων με υψηλή ταχύτητα. Διαπίστωσαν (βλ. http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0032074) ότι οι νυχτερίδες χρησιμοποιούν τη μεμβράνη της ουράς τους –το λεγόμενο ουροπατάγιο –ως ένα τρίτο φτερό. Ο ρόλος του είναι καταλυτικός τόσο στην επίτευξη απότομης απογείωσης όσο και στους ελιγμούς και στην ταχύτατη κάθοδο.

Η μελέτη των κινήσεων του ουροπαταγίου έκανε τους αεροναυπηγούς να αντιληφθούν το πόσο «αδέξιες κατασκευές» είναι τα μέχρι σήμερα αεροσκάφη των ανθρώπων. Αλλά αυτή ήταν απλά η πρώτη έκπληξη. Στις 30 Απριλίου 2015 έξι ερευνητές του Πανεπιστημίου Johns Hopkins της Βαλτιμόρης δημοσίευσαν τα νέα ευρήματά τους για τις μεμβράνες των νυχτεριδο-πτερυγίων (βλ. http://www.cell.com/cell-reports/abstract/S2211-1247(15)00376-9).

Οπως γνωρίζαμε, ο έλεγχος της πτήσης μέσω των δακτύλων και το λεπτό πάχος της μεμβράνης δίνουν στις νυχτερίδες ευελιξία πολύ ανώτερη των πουλιών. Τώρα όμως μάθαμε ότι η εξελικτική διαδικασία που επέτρεψε στις νυχτερίδες να σχηματίσουν τα φτερά τους επέφερε και την ανάπτυξη ασυνήθιστων δεξιοτήτων αφής, που ενισχύουν όχι μόνο τον έλεγχο της πτήσης αλλά και επιτρέπουν στις νυχτερίδες να χρησιμοποιούν τα φτερά τους για να αναρριχώνται, να αγκαλιάζουν τα μικρά τους και να συλλαμβάνουν έντομα.

Η εν λόγω ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι η επιφάνεια της μεμβράνης των φτερών έχει κάποιους «αισθητήρες αφής», τα λεγόμενα κύτταρα Μέρκελ, που είναι όμοια με αυτά που υπάρχουν στην περιοχής «δακτυλικού αποτυπώματος» των ανθρώπων. Η διαφορά είναι ότι οι αισθητήρες αφής των νυχτερίδων έχουν στο κέντρο κάθε κηλίδας κυττάρων Μέρκελ μία μικρή τρίχα που –λειτουργώντας ως κεραία ενίσχυσης –τους κάνει πολύ πιο ευαίσθητους. Μέσω αυτών των αισθητήρων η νυχτερίδα συλλέγει διαρκώς «δεδομένα ροής» του αέρα πάνω από τις μεμβράνες της και, αντιδρώντας αντανακλαστικά, προσαρμόζει αστραπιαία τη μορφή των πτερύγων της. Οταν οι ερευνητές ερέθισαν αυτά τα τριχίδια με σύντομες ριπές αέρα, είδαν ότι οι νευρώνες του πρωτογενούς σωματοαισθητικού φλοιού στον εγκέφαλο της νυχτερίδας ανταποκρίθηκαν με επακριβώς χρονισμένες αλλά αραιές εκρήξεις της δραστηριότητας, γεγονός που υποδηλώνει ότι αυτό το κύκλωμα βοηθά τις νυχτερίδες στην επίτευξη γρήγορης και δυναμικής πτήσης.

Μια επιπρόσθετη και ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα παραλλαγή αισθητήρων αφής διαθέτουν οι νυχτερίδες που τρέφονται με έντομα: έχουν κύτταρα που καταγράφουν τις διαφοροποιήσεις διαστολής κάθε μεμβράνης ώστε να ενημερώνουν τον εγκέφαλο της νυχτερίδας για έντομα που χτυπούν πάνω στις μεμβράνες των πτερυγίων της κατά την πτήση.

Οι ερευνητές έμειναν επίσης έκπληκτοι όταν ανακάλυψαν ότι οι νευρώνες των μεμβρανών δεν συνδέονται μόνο με τα ανώτερα τμήματα του νωτιαίου μυελού –όπως παγίως συμβαίνει για τα χέρια των θηλαστικών –αλλά και με τα κατώτερα τμήματα, όπου συνήθως συνδέονται τα νεύρα ελέγχου του κορμού του σώματος.

Σε όλο αυτό το βιολογικό τεχνολογικό θαύμα υπάρχει και ένα μειονέκτημα: η μεμβράνη σχίζεται αρκετά εύκολα. Αλλά τα κύτταρά της εμπεριέχουν και τη λύση, καθώς αναγεννώνται ταχύτατα και επουλώνουν τις ρωγμές.

Είναι μάλλον περιττό να τονίσουμε ότι όλα αυτά τα ευρήματα θα οδηγήσουν μελλοντικά σε έναν πλήρη επανασχεδιασμό των πτητικών συσκευών του ανθρώπου, με αεροσκάφη που θα ξεδιπλώνουν «φτερά γεμάτα αισθητήρες» και θα διαθέτουν «υπερκινητική ουρά».

Ο μιμητισμός της νυχτερίδας έχει άλλωστε ήδη ξεκινήσει εδώ και τέσσερα τουλάχιστον χρόνια. Στο διεθνές συνέδριο Ρομποτικής και Βιομιμητικής που έγινε το 2011 στο Phuket της Ταϊλάνδης (IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics) παρουσιάστηκε και βραβεύθηκε ένα ελβετικό ρομποτικό αεροπλανάκι που χοροπηδούσε σαν ακρίδα και ανοιγόκλεινε τα φτερά του σαν νυχτερίδα (βλ. βίντεο στο www.youtube.com/watch?v=u6a_EYlSaWw).

Τον Ιούνιο του 2013 ο καθηγητής ακουστικής στο αγγλικό Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον Daniel Rowan και ερευνητές –μεταξύ των οποίων και ο ο Τίμος Παπαδόπουλος –παρουσίασαν την πρώτη εφαρμογή ηχοεντοπισμού των νυχτερίδων σε… ανθρώπους. Εφέτος, στις 8 Μαΐου 2015, ολοκλήρωσαν τη μελέτη τους (βλ. www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378595515000234), διαπιστώνοντας πλέον με βεβαιότητα ότι οι άνθρωποι που είναι αρκετά ευαίσθητοι στις υψηλές συχνότητες μπορούν να αντιλαμβάνονται τον χώρο. Το επόμενο βήμα, λοιπόν, θα είναι να κατασκευαστούν ακουστικά που όχι μόνο θα ξεχωρίζουν για τους βαρήκοους την ομιλία, αλλά και θα δίνουν στους τυφλούς «ηχητική περιγραφή» του περιβάλλοντος.

Και –μια και δεν μένει τίποτε αναξιοποίητο από τους στρατούς –στο συνέδριο της Ακουστικής Εταιρείας των ΗΠΑ (18-22 Μαΐου 2015 στο Πίτσμπουργκ) μηχανικοί του Πολυτεχνείου Virginia Tech παρουσιάζουν το πρώτο «δυναμικό βιομιμητικό σόναρ». Οπως εξήγησαν σε συνεντεύξεις τους, εμπνεύστηκαν το νέο ηχητικό ραντάρ από τις νυχτερίδες των δασών, που κυνηγούν χωρίς να σκοντάφτουν ποτέ σε κανένα εμπόδιο. Μελετώντας τα αφτιά και τις μύτες αυτών των νυχτερίδων, διαπίστωσαν ότι εκπέμπουν τους υπερήχους τους όχι από το στόμα αλλά από τη μύτη. Η μύτη τους «παραμορφώνεται στη στιγμή», παρέχοντας την προσαρμοστικότητα ενός «μεγαφώνου με κινητά τοιχώματα». Επίσης, προσαρμόζουν την ακοή τους αστραπιαία με το να αλλάζουν τη μορφή των αφτιών τους μέσα σε ένα δέκατο του δευτερολέπτου –τρεις φορές ταχύτερα απ’ ό,τι οι άνθρωποι μπορούμε να ανοιγοκλείσουμε τα μάτια μας. Μεταφέροντας τα διδάγματα αυτά σε μια δική τους κατασκευή, οι ερευνητές δόμησαν ένα ρομποτικό σόναρ πολύ μικρότερο σε μέγεθος και με πολύ λιγότερες απαιτήσεις επεξεργαστικής ισχύος από τα πιο σύγχρονα σόναρ που διαθέτουν τώρα οι στρατοί.

Το επόμενο δείγμα νυχτεριδο-μίμησης φαντάζομαι ότι θα το δούμε σε πλήρους κλίμακος αεροσκάφη, στα «προσεχώς» του σινεμά: όλο και κάποια νέα ταινία του Batman θα ετοιμάσει το Χόλιγουντ.