Denizyıldızları, neredeyse dünya dışı bir canlıyı andıran sıra dışı anatomiye sahip. Beyinleri, kanları ve merkezi bir sinir sistemleri olmamasına rağmen bu canlıların hareket kabiliyeti mevcut. “Tüp ayak” denilen esnek ayaklarının nasıl işlev gördüğü yeni bir çalışmada ayrıntılı incelendi ve bulgular, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dergisinde makaleyle yayınlandı. Çalışma, denizyıldızlarının hareket etmek için yerel bir mekanik geri bildirim sistemi kullandığını ortaya koydu.
Denizyıldızlarının her bir kolunda, uzun ve içi boş bir tüpe bağlı vantuz benzeri diskten oluşan birçok tüp ayak bulunur. Tüplerde, ayak disklerinin yüzeylere tutunmasını ve yüzeyden ayrılmasını sağlayan sıvılar bulunur. Bu süreç, canlının “su damar sistemi” tarafından yürütülür. Su damar sistemi, denizyıldızlarında besinlerin vücut boyunca taşınmasını da sağlar ve bu yönüyle diğer organizmalardaki kan dolaşım sistemine benzer bir işlev görür.
Yeni çalışmada gözlemlenen temel tür Asterias rubens, yani yaygın denizyıldızı türü. A. rubens’in tüp ayakları, her bir kolun alt yüzeyinde dört sıra halinde dizili ve sürünerek ilerlemeyi sağlayan, birlikte çalışan uzantı ağı oluşturur.
Mons Üniversitesi liderliğindeki Belçika, ABD ve Almanya’dan araştırmacılar, tüp ayakların kolektif hareketleriyle sağlanan eşzamanlı, uyarlanabilir hareketlerin mekanizmasını anlamaya çalıştı.
Tutunma zamanlaması önemli
Makaleye göre araştırmacılar, tüp ayaklarının yüzeye tutunma ve yüzeyden ayrılma süreçlerini gerçek zamanlı olarak görselleştirmek ve nicel olarak ölçmek için “engellenmiş toplam iç yansıma” (frustrated total internal reflection, FTIR) görüntüleme adı verilen bir teknik kullandı. Bu yöntemde, yüksek kırılma indisli cam, denizyıldızının ayaklarıyla temas ettiğinde ışıldayarak temas noktalarını görünür hale getirdi. Böylece her bir ayağın yüzeyle ne kadar süre temas halinde kaldığı ve belirli bir anda kaç ayağın temas ettiği ölçülebildi. Araştırmacılar ayrıca denizyıldızlarının hızını, ağırlığını ve boyutunu da analizlere dahil etti. Kırılma indisi, ışığın boşluktaki yayılma hızının madde içindeki yayılma hızına oranına deniyor.
Araştırmacılar, denizyıldızlarının sürünme hızlarını, temas halindeki ayak sayısını değiştirmek yerine tek tek tüp ayaklarının tutunma (yapışma) süresini ayarlayarak kontrol ettiğini buldu. Ayrıca hareketin üç aşamada gerçekleştiğini belirlediler.
Makale yazarlarına göre; hareket döngüsü, tüp ayağın zemine açılı yaklaşarak elips şeklinde bir temas alanı oluşturduğu ve dairesellik indeksinin birden küçük olduğu yapışma aşamasıyla başlıyor. Ardından, tüp ayağın zemine sıkıca tutunduğu ve ‘tutunma süresi’ olarak adlandırılan yapışma aşaması geliyor. Bu aşamada dairesellik indeksi bire yakınken, neredeyse mükemmel bir temas mevcut. Son olarak, ayrılma aşamasında tüp ayak, bir sonraki hareket döngüsüne hazırlanmak için zeminden ayrılır.
Daha uzun temas süreleri daha yavaş hareketle ilişkilendirildi. Bu da denizyıldızlarının yüksek sürünme hızlarına ulaşabilmesi için tüp ayaklarını hızlı biçimde ayırabilme yeteneğinin gerekli olduğunu gösteriyor. Hareket sırasında toplam temas süreleri genellikle bir dakikanın altında kaldı ve 3 ila 20 saniye arasında değişti.
Bir diğer dikkat çekici bulgu ise daha büyük denizyıldızlarının, vücut kütleleriyle orantılı olarak daha büyük bireysel tüp ayaklara sahip olmamasıydı. Bunun yerine, yapışmayı artırmak için kullanılan tüp ayaklarının sayısını artırdıkları görüldü.
Mini sırt çantalarıyla denizyıldızları
Çalışmadaki ek deneylerden birinde, araştırmacılar denizyıldızlarının ağırlığını artırmak amacıyla üzerlerine küçük, 3B (üç boyutlu) yazıcıyla üretilmiş sırt çantaları yerleştirdi. Bir diğer deneyde ise denizyıldızları ters konumda sürünürken oluşan yapışma değişimleri ölçüldü. Bu iki deney de yerçekiminin denizyıldızları üzerindeki etkisini değiştirerek, tüp ayaklarının ek yükle nasıl başa çıktığını incelemeyi amaçladı.
Deneyler, vücut kütlesindeki artışın ve ters duruşun, tüp ayaklarının daha uzun süre yüzeye tutunmasına ve daha yavaş harekete yol açtığını gösterdi. Her iki deney için geliştirilen biyomekanik modeller de bu sonuçları doğruladı. Bulgular, denizyıldızı hareketinin merkezi bir koordinasyon olmaksızın, her bir tüp ayağın davranışını bağımsız olarak ayarladığı yerel mekanik geri bildirim yoluyla ortaya çıktığını gösteriyor.
Araştırmacılar, bu verilerin robotik ve biyolojik teknolojiler açısından da uygulanabilir olabileceğini belirtiyor. Bulguların özellikle, yumuşak ve çoklu temas noktalarına sahip robotik sistemlerin tasarımına katkı sağlayabileceği ifade ediliyor.