Ung drekafluga er rétt kominn úr púpu sinni. Loftið í frumskóginum umhverfis hana er enn kyrrt og engin hávær skordýr valda truflun enn sem komið er. Allt þetta breytist hins vegar um leið og nýir vængir dýrsins hafa þornað í sólinni. Þetta forsögulega risaskordýr flögrar upp og fer í fyrstu flugferð heimssögunnar.
Allar götur frá því að fleyg skordýr hófu sig til flugs fyrir rösklega 325 milljónum ára hefur ítrekað verið sýnt fram á að vængir leiða til velgengni í dýraríkinu: Leðurblökur, sem eru einu fleygu spendýrin, telja í raun um fimmtung allra spendýrategunda jarðar.
Fuglar eru eina risaeðlutegundin sem lifði af fjöldaútrýmingu þessara forsögulegu risadýra. Að lokum má svo nefna að vængjuð skordýr er sá hópur dýra sem langflestar tegundir tilheyra.
Sýnt hefur verið fram á með fjöldamörgum rannsóknum að fleyg dýr spjara sig ekki einungis vel sökum þess að þau eigi auðvelt með að forða sér frá rándýrum á flugi, heldur einnig fyrir þær sakir að flugið hefur gætt dýr þessi ýmsum afar ákjósanlegum eiginleikum.
Þökk sé vængjunum geta fuglar t.d. skynjað umheiminn helmingi hraðar en mennirnir og leðurblökur geta myndað þrívíð kort í heilanum með aðstoð hljóða.
Einstök fluggeta sparar orku
Sérstök vængjasláttartækni gerir það að verkum að minnstu skordýrin geta hafið sig til flugs með 25% minni orku en við á um stærri dýr.
Tegundum fjölgaði á ógnarhraða
Fyrsta fleyga drekaflugan var umtalsvert stærri en núlifandi arftakar hennar. Vísindamenn hafa fundið steingervinga af forsögulegum drekaflugutegundum, með vænghaf sem nam tæpum 70 cm. Tegundir þessar tilheyrðu ættkvísl skordýra sem nefndist meganeura, en blómaskeið hennar var fyrir rösklega 380 milljón árum.
Þegar þarna var komið sögu fól lofthjúpurinn í sér 35 hundraðshluta súrefnis, í dag nemur það 21 hundraðshluta, og þessar aðstæður gögnuðust drekaflugum til að stækka mjög svo og breytast í gríðarstór rándýr sem lifðu á minni skordýrum. Það var þó ekki fyrr en dýrunum uxu vængir, fyrstum allra dýra, sem hornsteinninn að velgengni eftirkomendanna varð ljós.
Vísindamenn hafa fundið ummerki eftir vængi á steingerðum risadrekaflugum, sem voru uppi fyrir hartnær 325 milljónum ára. Jafnframt því sem þessi nýja framþróun átti sér stað í dýraríkinu geta vísindamenn nú greint á steingervingum, að tegundafjöldi skordýra náði hámarki á þessum tíma, sem gefur til kynna að vængirnir hafi gagnast þeim verulega.
MYNDSKEIÐ: Sjáðu smádróna sem flygur nákvæmlega eins og bananafluga:
Skordýr eru meðal fjölhæfustu flugdýra sem um getur, en þau geta bæði svifið, flogið afturábak og aukið hraðann á örskotsstundu. Vísindamenn gerðu sér aðeins fyrir skemmstu grein fyrir hvernig dýrin fara að þessu. Í ljós kom að flugtækni jafnvel allra minnstu tegundanna var afar flókið ferli.
Lítill búkur er ekki endilega dýrunum til framdráttar, hvað það áhrærir að halda sér á lofti, því vængirnir eru þá smávaxnir að sama skapi. Dýrin verða fyrir vikið að blaka vængjunum það ört að rafhrif taugakerfisins hafi ekki undan, á meðan stærri fleyg skordýr, á borð við fiðrildi og hunangsbýflugur, geta látið sér nægja eitt taugaboð í hverjum vængjaslætti og í þessum dýrum eru taugaboðin samstillt við vöðvavirknina.
1000 sinnum á sekúndu – svo ört blakar örsmáa mýflugan, sem nefnist lúsmý, vængjum sínum.
Stjórnun vængjanna er langtum flóknara ferli í litlum skordýrum. Hraði taugaboða er mestur 360 km/klst. og þetta er of lítill hraði fyrir dýr sem þurfa að senda vængvöðvunum boð um að draga sig saman og slaka á oftar en eitt þúsund sinnum á sekúndu.
Fyrir bragðið hafa minnstu skordýrin þróað með sér tækni sem felst í því að við hvert taugaboð dragast heilu vöðvahóparnir saman, og það slaknar á þeim, hvað eftir annað. Hvert rafboð leysir úr læðingi ofurhraðan titring í vöðvunum sem breytir lögun stoðgrindarinnar og veldur því að vængirnir hreyfast.
Vöðvasamdrættir breyta líkamsbyggingu skordýrssins þ.a. vængirnir fara upp og niður.
Skordýr breyta líkamsbyggingunni til að fljúga
Lítil skordýr þurfa að blaka vængjunum meira en 1000 sinnum á sekúndu til að taka sér í loftinu. Þetta er bara hægt með því að mismunandi vöðvahópar draga allan líkaman örsnöggt saman á alla kanta.
– a (sægrænt) = vængir
– b (bleikt) = vængliðir
– c (ljósbrúnt) vöðvar sem draga líkama skordýrsins saman frá hrygg til kviðar þ.a. vængirnir hreyfast upp á við.
– d (appelsínugult) vöðvar sem draga líkama skordýrsins þannig saman að vængirnir hreyfast niður.
Eitt stakt rafboð frá taugakerfinu getur með þessu móti orsakað 40 vængjaslætti. Þar sem vængirnir hreyfast ekki í takt við taugakerfið kallast slík aðferð ósamstillt flug.
Auk þess að stuðla að örari vængjahreyfingum hafa ósamstilltir vöðvar jafnframt annan ávinning í för með sér fyrir smágerðu skordýrin. Vöðvatrefjarnar eru alveg samhverfar, andstætt við margar aðrar vöðvagerðir, og þetta telja vísindamennirnir auka mjög svo á höggþunga vængjanna.
Þá hafa dýrafræðingar jafnframt veitt því eftirtekt að ósamstillt flugdýr búa yfir betri getu til að fljúga afturábak og að svífa, auk þess sem þau eru fær um að nýta þrýstingsbreytingar í loftinu umhverfis sig til að auka uppdrifið. Í gegnum þróunarsöguna hafa bæði býflugur, flugur, bjöllur og skortítur, hver á sinn hátt, þróað ósamstilla flugvöðva.
Skimun breytir risaeðlu í fugl
Skordýrin eru ekki einu dýrin sem hafa þróast frá því að vera landdýr yfir í flugdýr, en fyrir hartnær 150 milljónum ára leit dagsins ljós svonefndur öglir, sem lýst hefur verið sem „fyrsta fugli heims“.
Vísindamenn hefur löngum greint á um hvort þessi lýsing samrýmist vísindunum. Margir vísindamenn hafa bent á að steingervingar gefi vissulega til kynna að dýrið hafi verið útbúið fiðruðum vængjum. Á hinn bóginn hafi það jafnframt verið með tennur og langa kræklótta rófu, en sama virðist hafa átt við um aðrar risaeðlur sem lifðu á landi.
Andstæðingar fuglakenningarinnar hafa fyrir bragðið haldið því fram að dýrið hafi verið ófleygt og í raun hafi einungis verið um að ræða þróunarstigið á milli risaeðlu og fugls.
Þó svo að dýrið archaeopteryx hafi löngum verið álitið vera fyrsti fugl heims, hefur vísindamenn um víða veröld greint á um hvort hann yfirleitt hafi verið fleygur. Nýjar rannsóknir á steingerðum heilum hafa leitt í ljós að dýrið gat flogið, þó svo að varla hafi verið um langar vegalengdir að ræða.
Nú hefur vísindamönnum frá háskólanum í Ohio tekist að varpa nýju ljósi á nokkur ágreiningsefnanna með því að einblína enn frekar á höfuðkúpustærð dýrsins. Þar sem flug reynir afar mikið á hreyfigetu dýranna, höfðu vísindamenn varpað fram þeirri kenningu að heilinn hlyti að hafa verið hlutfallslega stærri en heilar annarra risaeðla, hefði dýrið átt að geta flogið.
Vísindamennirnir rannsökuðu höfuðkúpu 147 milljón ára gamals öglis og tókst svo að útbúa stafrænt þrívíddarlíkan af heila dýrsins með hliðsjón af alls 1300 röntgenmyndum. Tölvulíkanið leiddi í ljós að heilinn var 1,6 millilítrar á stærð, sem er u.þ.b. þrefalt meira en rúmmál heila í skriðdýrum af sömu stærð.
Þá leiddi tölvulíkanið jafnframt í ljós breið eyrnagöng og að sjónstöðvar heilans hefðu verið stórar, eða á stærð við það sem þekkist í fuglum nútímans. Eftir að sanna tókst hve velþróaður heilinn hafði verið, eru vísindamenn nú almennt á einu máli um að öglirinn hafi í raun réttri verið fleygur, þó svo að hann hafi sennilega ekki verið mjög kvikur í hreyfingum á flugi.
Fuglar sjá umheiminn í hægagangi
Flug krefst skarpra skilningarvita og þetta á einkum við um fugla nútímans, sem eru með bestu augun í dýraríkinu. Ránfuglar þurfa sem dæmi að sjá afar skýrt um langan veg. Augun eru fyrir vikið nálægt hvort öðru, þannig að sjónhrif augnanna skarast.
Slík sjón, sem nefnist tvíaugnasjón, og maðurinn hefur einnig yfir að ráða, veitir dýrunum einkar skarpa sjón. Þess má einnig geta að skynjararnir í nethimnu slíkra augna eru afar þéttriðnir og t.d. ernir geta komið auga á smágerða bráð, á borð við kanínu, í liðlega þriggja km fjarlægð.
Vöðvamassi gerir kólibrífugl að loftfimleikasnillingi
Allir líkamshlutar þessa litla fugls eru sérhæfðir fyrir lífið í loftinu. Engir aðrir fuglar geta flogið afturábak né staðnæmst í lofti.
Sjónskynjunin er afar hröð, líkt og hjá öðrum smáfuglum, en kólibrífuglar skynja hreyfingar helmingi hraðar en menn.
Heilinn hefur yfir að ráða sérlegu svæði sem ljær fuglinum einstaka getu til að flýja í hvaða átt sem er, því margar hættur geta steðjað að fuglinum þegar hann svífur í loftinu.
Axlarliðurinn er sveigjanlegur sem gerir það að verkum að vængurinn getur myndað töluna 8 með láréttum hreyfingum. Andstætt við aðra fugla skapar vængjaslátturinn stöðugan lyftikraft.
Flugfjaðrir vængjanna geta breytt lögun og stærð yfirborðs þeirra. Með því móti getur fuglinn stjórnað nákvæmlega styrk lyftikraftsins.
Bringuvöðvarnir eru tiltölulega stórir, miðað við aðra fugla. Þyngd vöðvakerfisins nemur að öllu jöfnu 15% af líkamsþyngdinni en hjá kólibrífuglum nemur hún alls 30 af hundraði.
Fæturnir eru smærri en ella og íþyngja fyrir vikið ekki fuglinum á flugi. Á hinn bóginn henta fætur kólibrífugla ekki fyrir gang.
Vöðvamassi gerir kólibrífugl að loftfimleikasnillingi
Allir líkamshlutar þessa litla fugls eru sérhæfðir fyrir lífið í loftinu. Engir aðrir fuglar geta flogið afturábak né staðnæmst í lofti.
Sjónskynjunin er afar hröð, líkt og hjá öðrum smáfuglum, en kólibrífuglar skynja hreyfingar helmingi hraðar en menn.
Heilinn hefur yfir að ráða sérlegu svæði sem ljær fuglinum einstaka getu til að flýja í hvaða átt sem er, því margar hættur geta steðjað að fuglinum þegar hann svífur í loftinu.
Axlarliðurinn er sveigjanlegur sem gerir það að verkum að vængurinn getur myndað töluna 8 með láréttum hreyfingum. Andstætt við aðra fugla skapar vængjaslátturinn stöðugan lyftikraft.
Flugfjaðrir vængjanna geta breytt lögun og stærð yfirborðs þeirra. Með því móti getur fuglinn stjórnað nákvæmlega styrk lyftikraftsins.
Bringuvöðvarnir eru tiltölulega stórir, miðað við aðra fugla. Þyngd vöðvakerfisins nemur að öllu jöfnu 15% af líkamsþyngdinni en hjá kólibrífuglum nemur hún alls 30 af hundraði.
Fæturnir eru smærri en ella og íþyngja fyrir vikið ekki fuglinum á flugi. Á hinn bóginn henta fætur kólibrífugla ekki fyrir gang.
Vísindamönnum við háskólann í Uppsölum í Svíþjóð, tókst fyrir skemmstu að sýna fram á að fuglar sem önnur dýr veiða búa jafnframt yfir einstakri sjón. Gerð var tilraun með villta smáfugla í líkingu við blámeisu, trafgríp og flekkugríp, sem haldið var í búri, og voru fuglarnir verðlaunaðir þegar þeir báru kennsl á glampa úr blikkandi lampa.
Þegar ljósið var látið blikka ört, reyndi á getu fuglanna til að skynja hröð sjónhrif, þar til ljósið var látið blikka svo ört að fuglarnir hættu að skynja að það blikkaði.
385 líkamslengdir á sekúndu er mesti hraði kólibrífugla, sem gerir hann átta sinnum hraðskreiðari en F-15-orrustuþotur.
Flekkugrípurinn gat skynjað ljósglampa sem stóð yfir í sjö millísekúndur. Til samanburðar má geta þess að mannsheilinn getur í besta falli skynjað glampa sem stendur yfir í 17 millísekúndur. Ef hægt væri að yfirfæra sjón fuglanna á okkur mannfólkið myndi okkur sýnast allt gerast í hægagangi.
Þessir smáfuglar lifa á skordýrum og fyrir vikið eru leifturhröð sjónhrifin forsenda þess að þau geti veitt fljúgandi bráð sína á lofti.
Spendýr öðlast vængi
Síðasta dýrategundin sem þróaði fluggetu fyrir hartnær 50 milljón árum var þegar fyrstu leðurblökurnar hófu sig til flugs. Allar götur síðan hafa þessi fleygu spendýr sérhæft sig sem næturveiðidýr, sem rata með hjálp hljóða og eru útbúin háþróuðum heila.
Leðurblökur eru einu flugdýrin sem geta stjórnað því hversu stífir vængirnir verða.
Vængir gerðir úr húð ljá leðurblökum öflugan vængjaslátt
Andstætt við fugla og skordýr, eru vængir leðurblakna ekki stífir. Auðmótanleg húðhimnan, sem vængirnir samanstanda af, er alsett vöðvum sem ljá dýrinu sérlega kröftuglegan vængjaslátt.
Teymi heilasérfræðinga við Johns Hopkins háskólann í Bandaríkjunum hefur látið útbúa sérstakt rými þar sem þeim gefst tækifæri til að fylgjast með getu leðurblakna til að rata á flugi.
Myndavélum og hljóðnemum hefur verið komið fyrir á veggjunum og vísindamennirnir fylgjast grannt með dýrunum á flugi. Jafnframt þessu hafa litlir skynjarar verið græddir í heila dýranna og þannig gefst kostur á að fylgjast með leðurblökunum rata gegnum hindrunarbraut.
Vísindamennirnir álíta að leðurblökur geri sér eins konar kyrrstöðukort yfir umhverfið, sem dýrið svo geymi í minninu. Taugafrumur leggi síðan ímyndaðan möskva yfir kortið og þegar dýrin fara yfir strik í þessum ímyndaða möskva virkist tilteknar taugafrumur sem færi dýrinu upplýsingar um hvar á kortinu það sé statt.
Aðrar sérhæfðar taugafrumur gefa frá sér rafboð þegar höfuð dýrsins er í tiltekinni afstöðu miðað við umheiminn og upplýsa um fjarlægðina að staðnum sem dýrið er á leið til.
160 km/klst. á láréttu flugi mældust hjá mexíkósku bolabítsleðurblökunni, en viðlíka hraði hefur ekki mælst hjá nokkru öðru dýri.
Leðurblakan myndar að sama skapi eins konar hreyfikort í heilanum sem, andstætt við kyrrstöðukortið, heldur dýrinu í miðju, líkt og við þekkjum úr staðsetningartækjum.
Upplýsingar í kortið berast úr svokallaðri bergmálsskynjun leðurblökunnar. Skynjun þessi virkar í grundvallaratriðum á þann veg að leðurblakan gefur frá sér hátíðnihljóð sem lenda á hlutum í umhverfinu. Þegar bergmálið snýr aftur og unnið er úr því í heila, öðlast leðurblakan upplýsingar um fjarlægðir og stefnur að hlutum í umhverfinu, svo úr verður eins konar kort yfir smáatriðin í grenndinni.
Vísindamenn hafa t.d. komist að raun um að leðurblökur senda stundum frá sér mörg hátíðnihljóð og þeir telja að þessi öru hljóð geri leðurblökum kleift að „grannskoða“ hluti sem sérlega eftirtekt vekja, sem getur komið sér vel þegar t.d. er ferðast um þéttvaxinn skóg.
Elsta leðurblaka heims, Onychonycteris finneryi, var 12 cm á lengd og með klær á öllum fimm tám fótanna, andstætt við leðurblökur nútímans sem eru að öllu jöfnu aðeins með eina eða tvær klær á hvorri löpp. Leðurblaka þessi var fleyg en rataði án bergmálsskynjunar og fyrir bragðið telja vísindamenn hana hafa verið á ferli á daginn.
Leðurblökur hafa fyrir vikið yfir að ráða sömu skörpu sjóninni og fuglar en þar sem dýrin treysta alls ekkert á sjónina geta þau veitt í skjóli nætur, þegar ekki þarf að taka tillit til annarra rándýra.
Þá búa dýrin jafnframt yfir getunni til að gera sér kort af stórum svæðum og geyma það í heila, sem gerir þeim kleift að fljúga langar vegalengdir í leit að svæðum með nógri fæðu, en þetta hefur einmitt reynst þessum fljúgandi spendýrum afar heillavænlegt.
Drónasmiðir læra af dýrum
Staðsetningarbúnaður leðurblakna getur einnig komið mönnum að gagni. Bandaríski heilasérfræðingurinn og leðurblökusérfræðingurinn, Seth Horowitz, rær að því öllum árum að þróa skynjarabúnað sem líkir eftir bergmálsskynjun leðurblökunnar.
Hugmyndin er sú að blindir og sjónskertir geti notað búnaðinn til að gefa frá sér rafboð og taka við bergmáli úr umhverfinu. Tækið sendir frá sér hátíðnihljóð með ólíkri tíðni og getur þannig greint ólíka hluti frá hver öðrum.
Bergmál frá einu tíðnisviði getur sem dæmi fært upplýsingar um hindranir framundan á meðan annað tíðnisvið varar við minni hlutum, sem eru á mikilli hreyfingu. Lagt verður kapp á að hljóðin geti gefið skýra mynd af umhverfi þess sjónskerta.
Á sama hátt má segja að fuglar séu vísindamönnum einnig innblástur. Heilasérfræðingurinn Niels Rattenborg við Max Planck fuglafræðistofnunina sýndi fram á fyrir skemmstu að fuglar geta sofið á flugi, og meira að segja sofið draumsvefni.
Margar fuglategundir geta sofið með öðru heilahvelinu í einu. Fuglar geta því m.a. sofið með annað augað opið.
Þetta afreka fuglarnir með því að sofa með öðru heilahvelinu í einu. Þar sem svefnleysi hrjáir marga í dag vonast Niels Rattenborg til þess að geta lært af fuglum hvernig maðurinn gæti orðið fær um að vinna bug á svefnskorti sínum í framtíðinni.
Þá hafa vísindamenn við Wageningen háskóla í Hollandi kynnt sér flugstöðugleika skordýra í því skyni að útbúa örugga dróna framtíðarinnar. Rannsóknir sem gerðar voru á bananaflugum leiddu í ljós að dýrin geta haldist á flugi, þrátt fyrir alvarlega vængjaskaða, m.a. með því að breyta tíðni vængjasláttarins.
Nú hefur þeim tekist að útbúa dróna sem byggir á hugmyndum úr heimi skordýranna, sem haldist getur á lofti með einum ósködduðum væng. Með því móti hefur vísindamönnum tekist enn einu sinni að færa sér í nyt ótrúlega flugeiginleika fleygra dýra.
