Jak podbić niebo

Najprawdopodobniej pierwsze loty stanowiły przedłużenie skoków. Jak przypuszczają biolodzy, potencjalne ofiary w ten sposób zwiększały swoje szansę na ucieczkę przed drapieżnikami. Późniejsze ewolucyjne przystosowanie do aktywnego lotu wymagało zmian w budowie organizmów oraz rozwoju niezbędnych mięśni, których skurcze miały poruszać skrzydłami. U ptaków wykształciły się kolejne przystosowania – między innymi szybko uwalniają energię z pożywienia, mają także bardzo wydajne układy oddechowe i krwionośne. Oprócz zmian w budowie ciał przez lata ewolucji zmieniła się również technika lotu ptaków. Dostosowywały ją do środowiska, w którym żyją, oraz nauczyły się wykorzystywać naturalne warunki, by przy minimalnym wysiłku osiągać maksymalne wyniki.

Pierwsi lotnicy

Niejeden przedszkolak zapytany o pradawne latające istoty zamieszkujące naszą planetę wskaże pterodaktyla. Zawdzięcza on swoją sławę temu, że został odkryty jako pierwszy latający gad, czyli pierwszy pterozaur. Kiedy dinozaury królowały na lądach, pterozaury dominowały na niebie. Do dziś są największymi latającymi zwierzętami odkrytymi przez człowieka.

Przez ponad 150 mln lat wykształciły różnorodne formy – od najmniejszych gatunków, porównywalnych do wróbla, do największych jak kecalkoatl, którego rozpiętość skrzydeł przekraczała 10 m, czyli była większa niż w myśliwcu F-16. Skrzydła pterozaurów – podobnie jak dzisiejszych nietoperzy – były zbudowane z błony lotnej rozpiętej na kościach kończyny przedniej, natomiast kości, podobnie jak u ptaków, były puste w środku. To tak zwane kości pneumatyczne, które niewiele ważą.

W XIX wieku światem nauki wstrząsnęło odkrycie w Bawarii zwierzęcia o nazwie Archaeopteryx, które było wielkości dzisiejszego kruka. Przez półtora wieku uznawany był za praptaka, gdyż łączył w sobie cechy gadów (ostre zęby, pazury i kostny ogon) z tymi charakterystycznymi dla ptaków, czyli piórami. Jego status praptaka został zachwiany kilkanaście lat temu, gdy naukowcy z Chińskiej Akademii Nauk odnaleźli skamieniałość sprzed 155 mln lat, która posiadała podobne cechy jak Archaeopteryx. Zwierzę to zostało nazwane Xiaotingia na cześć jednego z chińskich paleontologów. Odkrycie tego okazu zmusiło naukowców do nowego spojrzenia na ewolucję przodków ptaków. Wprawdzie oba gatunki były do siebie zbliżone, miały podobnie ukształtowaną głowę i miednicę, pas barkowy, mocne kończyny przednie i stopy z zaznaczonym dużym drugim palcem, ale odkryte przez Chińczyków zwierzę było mniej prymitywne.

Jak bolid Formuły 1

Latanie, jak zauważył profesor Jan Sokołowski w „Atlasie ptaków Polski”, spośród wszystkich sposobów poruszania się jest najbardziej wymagającym, gdyż nie tylko potrzeba dużych zasobów energii, ale także dostosowania całego organizmu. I ptaki, w toku ewolucji, tego dokonały: niektórych narządów się pozbyły, inne – rozwinęły. Z biegiem lat umięśnienie ptaków stało się bardzo rozbudowane, zwłaszcza w dwóch partiach: dookoła nóg i podudzia, by poruszać nogami, oraz z przodu klatki piersiowej, by poruszać skrzydłami.

Ten i wiele innych artykułów znajdziesz w Echach Leśnych

Tak silne mięśnie piersiowe, szczególnie duże w stosunku do reszty ciała, potrzebują odpowiedniego, mocnego rusztowania, do którego mogą być przymocowane i które może utrzymać ich ciężar. Owe rusztowanie zapewnia wyjątkowo długi i szeroki mostek, który nasuwa się aż na jamę brzuszną. Przez jego środek biegnie także tak zwany grzebień mostkowy, dzięki czemu powierzchnia przyczepu mięśni jeszcze się zwiększa. Co ciekawe, grzebień mostkowy mają wszystkie ptaki oraz jedyny ssak, który wykształcił umiejętność czynnego lotu, czyli nietoperz.

Przyglądając się budowie szkieletu ptaków, zauważymy, że pomiędzy kością mostkową a ramieniową są kości krucze, których siła i wytrzymałość zależy od siły mięśni poruszających skrzydłami. Im są większe, tym większe są kości krucze, które tworzą podstawę do nasady skrzydeł i trzymają mostek w należytej odległości od skrzydeł. Warto dodać, że kości krucze wykształciły się także u gadów, natomiast u ssaków są jedynie niewielkim wyrostkiem przytwierdzonym do łopatki.

Ptaki mają wyjątkowo wąskie i długie łopatki, przypominające kształtem zakrzywione szable. Powód jest dosyć prozaiczny: szersze nie zmieściłyby się na grzbiecie i utrudniałyby skrzydłom podnoszenie się. Natomiast klatka piersiowa jest niezwykle sztywną konstrukcją, gdyż kręgi lędźwiowe, krzyżowe i część kręgów piersiowych w czasie ewolucji zrosły się w jedną konstrukcję.

Ta grupa zwierząt w drodze do podboju przestworzy musiała zmniejszyć swój ciężar ciała. Pozbyły się pęcherza moczowego, a także zębów oraz silnych mięśni szczęk służących do rozdrabiania pokarmu – ich posiadanie utrudniłoby fruwanie, a ciężar sprawiłby, że środek ciężkości byłby przesunięty zbytnio ku przodowi. Funkcję rozdrabniania pokarmu przejął przełyk i silnie umięśniony żołądek. To dostosowanie organów wewnętrznych przesunęło punkt ciężkości ciała poniżej nasady skrzydeł. Dlatego ptaki w czasie lotu tak układają głowę i nogi, by nie zakłócały jego równowagi – niektóre zginają nogi w stawie piętowym, wówczas całe odnóża wraz z palcami chowają między piórami na brzuchu. Kolejną zaletą takiego ułożenia nóg jest zmniejszony opór powietrza.

Manewru ze schowaniem nóg pomiędzy pióra na brzuchu nie są jednak w stanie powtórzyć ptaki brodzące, czyli te wyróżniające się długimi nogami. Wypracowały za to inną metodę. W czasie lotu mają wyprostowane nogi, dla których przeciwwagą jest całkowicie wyciągnięta szyja. Jan Sokołowski w swoich publikacjach zaznacza, że u gatunków, które mają krótkie ogony, na przykład bocianów, wyprostowane nogi pełnią także rolę steru. Inne dostosowanie można zauważyć u tych ptaków, które charakteryzują ciężki dziób i stosunkowo niedługie nogi. Czaple czy pelikany dla utrzymania równowagi w czasie lotu muszą zgiąć szyję i oprzeć ją na grzbiecie.

Szkoła latania

Ptaki poruszają się dzięki skurczom bardzo silnych mięśni piersiowych. Kiedy mięśnie pracują aktywnie, ten typ lotu nazywamy czynnym, natomiast podczas lotu biernego wykorzystują albo swój rozpęd, albo prądy powietrza. Ich skrzydła pozostają wówczas nieruchome, ale konieczne jest ich nachylenie pod odpowiednim kątem. Według „Małego Słownika Zoologicznego. Ptaki” pod redakcją Przemysława Bussego możemy mechanikę lotu podzielić na sześć typów.

Lot bierny ślizgowy odbywa się dzięki nabranej prędkości jak u jerzyka, natomiast lot bierny szybowcowy wykorzystuje prądy powietrzne. Z tego rodzaju lotu korzystają ptaki o dwóch różnych kształtach skrzydeł – długich i wąskich, jak albatrosy i mewy, oraz krótszych i szerokich, jak orły czy bociany – kształt skrzydeł jest przystosowany do szybowania nad lądem lub morzem (w zależności od tego, czy potrzeba dużej siły nośnej).

Lot czynny rakietowy charakteryzuje ptaki o niewielkiej powierzchni skrzydeł, ale sporej wadze, jak kuraki i kaczki, a lot czynny jednostajny stanowi domenę krukowatych. Większość ptaków wróblowych oraz dzięcioły wykorzystują czynny lot falisty. Ostatnim z typów lotu czynnego jest trzepocący, który polega na wyjątkowo szybkim poruszaniu skrzydłami i zawisaniu w miejscu – tak jak u kolibrów.

Według profesora Sokołowskiego lot szybowcowy oraz ślizgowy wymagają od ptaków odpowiedniej wagi – nie może  być mniejsza niż 150 g. Lot szybowcowy jest możliwy, gdy prędkość wiatru nie przekracza 10 m na sekundę. Podczas zbyt silnego wiatru w powietrzu powstają wiry, które uniemożliwiają nawet dużym ptakom unoszenie się. Wyjątkiem jest albatros, którego skrzydła są długie i wąskie, dzięki czemu, jak opisowo wyjaśnił profesor Sokołowski, „wiry powietrza łatwo się z nich ześlizgują”.

Jeśli chodzi o mniejsze ptaki, to one dużemu oporowi powietrza przeciwstawiają się tak, że po kilku energicznych uderzeniach skrzydeł nagle zwijają je zupełnie. Odbijają się od powietrza i rzucają z zamkniętymi skrzydłami jak pocisk, a po chwili, kiedy tracą na wysokości i zakreślają łuk, znów muszą odbić się skrzydłami, aby uzyskać odpowiednią wysokość. Niektóre gatunki pelikanów czy sępów dzięki imponującej rozpiętości skrzydeł na odpowiedniej wysokości mogą unosić się bez dodatkowego ruchu skrzydeł.

Sterem, żaglem, okrętem

Kolejnym ptasim atrybutem umożliwiającym lot są pióra. Pełnią one niemal 40 różnych funkcji. Drobne mięśnie znajdujące się przy ich nasadzie umożliwiają ich obracanie, unoszenie i opuszczanie. Każdy ich rodzaj ma ważną funkcję do spełnienia, ale w kontekście lotu warto wspomnieć o konturowych, które pokrywają całe ciało. Spośród nich wyróżniamy lotki, sterówki i pióra okrywowe.

Na krawędzi skrzydła znajdziemy lotki – to największe i najmocniejsze pióra, ich najważniejszą funkcją jest wytwarzanie siły napędowej i tworzenie powierzchni nośnej, ale nie tylko – u sów, dzięki zębatej budowie pierwszych lotek na przedniej krawędzi skrzydeł, zapewniają bezgłośny lot. Ich asymetryczna budowa zapewnia przepływ powietrza nad skrzydłami, co umożliwia ptakom wyniesienie się w górę.

Ogon tworzą sterówki, które zapewniają ptakom utrzymanie równowagi, kontrolują lot i hamują. Mają za zadanie nadawać kierunek lotu i ułatwiają wykonywanie szybkich zwrotów. Długi ogon, na przykład u jastrzębia, pozwala na dynamiczne i szybkie zmiany kierunku.

Z kolei pióra okrywowe mają za zadanie zakrycie wszelkich szczelin, dzięki czemu skrzydło uzyskuje opływowy, szczelny profil – to szczególnie ważne dla aerodynamiki lotu. Ponadto spełniają rolę ochronną, na przykład przed deszczem. Co ciekawe, całkowite upierzenie ptaka może ważyć nawet trzy razy więcej niż jego szkielet, a liczba piór różni się w zależności od gatunku. Koliberek rubinobrody pokryty jest 940 piórami, podczas gdy łabędź czarnodzioby może się poszczycić aż 25 tys. piór.

By pióra spełniały swoją rolę, muszą być stale wymieniane – pod wpływem światła i ścierania niszczeją i płowieją. I choć są zbudowane z substancji rogowej, podobnie jak ludzkie włosy i paznokcie, to nie rosną ciągle. Muszą być wymieniane w procesie zwanym pierzeniem. U większości gatunków ten proces odbywa się między migracją (pierzenie upośledza zdolność lotu) a lęgami (zarówno lęgi, jak i wzrost piór wymagają mnóstwa energii). Migranci długodystansowi wymieniają wszystkie pióra zimą, ale często też wymieniają część piór tułowia przed wędrówką jesienną lub wiosenną. Duże ptaki, jak bociany, pelikany i niektóre szponiaste, wymieniają lotki w ciągu całego roku. Blaszkodziobe zrzucają wszystkie lotki jednocześnie latem, tak jak żurawie. Zanim odzyskają zdolność lotu na czas jesiennej migracji, ukrywają się w trzcinowiskach lub na torfowiskach.

Najlepsi z najlepszych

Obecnie jedynym z najlepszych lotników na świecie jest jerzyk, kształtem przypominający jaskółkę i często z nią mylony. Gatunek ten spędza większą część swojego życia w locie – poluje na owady, pije krople deszczu, śpi, a także kopuluje. Potrafi pozostawać w locie przez dwa lata bez przerwy! Jednak aby nowe pokolenie jerzyków mogło latać beztrosko po nieboskłonie, dorosłe muszą nieco pohamować się ze swoją miłością do lotu i wylądować, żeby zbudować gniazdo i wykarmić pisklęta. A potem znów mogą wzbić się w powietrze na następne długie miesiące. Oprócz imponującej długości lotu jerzyki potrafią być bardzo szybkie – w trakcie gonitwy za owadami ci mistrzowie aerodynamiki mogą rozwinąć prędkość 200 km/h.

Jednak niedoścignionym rekordzistą prędkości jest sokół wędrowny, który w locie pikującym potrafi lecieć nawet 320 km/h. Podczas porównywania sylwetek ptaków szponiastych od razu po kształcie można rozpoznać skrzydła sokoła – ich opływowość i aerodynamiczny kształt są wyjątkowe i mocno odróżniają się od masywnych skrzydeł myszołowa czy prostokątnych orła. Dzięki możliwościom osiągania takiej prędkości sokół stanowi inspirację dla wielu naukowców, którzy detalicznie badają jego aerodynamikę, aby opracowywać nowe technologie dla statków powietrznych.

Ważki lot

Najstarsze znalezisko skamieniałego owada datuje się na 385 mln lat, co ciekawe – ów owad był bezskrzydły i przypominał rybika cukrowego, znanego nam z wieczornych spacerów do toalety. Natomiast najstarszy znany skamieniały odcisk owada latającego pochodzi sprzed 312 mln lat i wygląda na przodka jętek. Trzeba mieć wiele szczęścia, aby natrafić na taki unikat, ponieważ większość ciała owada stanowią miękkie tkanki, które z biegiem czasu zazwyczaj się rozkładają lub zniekształcają. Dla naukowców materiał ten jest tym bardziej cenny, gdyż przeważnie można natrafić jedynie na odciśnięte owadzie skrzydła bez możliwości dojrzenia szczegółów sylwetki. Ze względu na deficyt skamielin do tej pory nie można skompletować danych o ewolucji owadów i informacji, w jaki sposób pojawiły się u nich skrzydła.

To właśnie w karbonie nastąpił bujny rozkwit wielu roślin, co spowodowało znaczny wzrost ilości tlenu w powietrzu. Właśnie dzięki tak dużej zawartości tlenu – powyżej 30 proc. – owady mogły osiągać imponujące rozmiary. Pierwiastek bez problemu docierał do wnętrza większych ciał owadów przez przetchlinki, czyli otwory umożliwiające wymianę gazową, które zwierzęta te mają zamiast płuc.

Największym znalezionym owadem była żyjąca 300 mln lat temu praważka, której rozpiętość skrzydeł wynosiła 75 cm! Przy aktualnym stężeniu tlenu w powietrzu, czyli 21 proc., owady nie mogą dorównać do rozmiarów swoich karbońskich przodków.

Ważki są prawdziwymi mistrzami podniebnych akrobacji, a ich umiejętności lotu nie mają sobie równych. Loty szybowcowe, spiralne, a nawet wsteczne to namiastka możliwości tych wyrafinowanych lotników. Oczywiście posiadają szczególne cechy anatomii, aby królować na niebie – dwie pary wyjątkowych skrzydeł oraz długi i szczupły odwłok, który pomaga stabilizować ich lot.

Latający unikat

Wśród ssaków jedyną grupą, która wykorzystuje aktywny lot, są nietoperze. Najstarszy odkryty nietoperz żył w eocenie około 52 mln lat temu, tym samym stanowi okaz najstarszego latającego ssaka, jaki do tej pory został odnaleziony. Historia tych drobnych ssaków nie jest zbyt dobrze poznana ze względu na niewiele skamieniałości – delikatne szkielety nietoperzy rzadko ulegały fosylizacji, więc takie znaleziska to prawdziwa gratka dla paleontologów. Po dziś dzień także nie ma jednoznacznych dowodów na pochodzenie lotu u nietoperzy. Przypuszczalnie przodkami nietoperzy były drobne drapieżne ssaki prowadzące nadrzewny tryb życia. Nietoperze latają wolniej od ptaków, ale są od nich bardziej zwrotne. Ich mięśnie piersiowe stanowią 10–12 proc. masy ciała, czyli mniej niż u ptaków.

Na podbój przestworzy

Warto wiedzieć, że niektóre zwierzęta wykorzystują lot jako sposób przemieszczania się chociaż nie mają skrzydeł. Jest to lot bierny, a nie aktywny, jak w przypadku ptaków czy owadów. Organizmy  te unoszą się dzięki wykorzystaniu nieruchomych płaszczyzn ciała, na przykład fałd pomiędzy przednimi a tylnymi łapami. Jednym odnotowanym w Polsce gatunkiem ssaka, który miał taką umiejętność, była polatucha syberyjska, zwana latającą wiewiórką. Do XIX wieku tego jasnoszarego gryzonia można było spotkać na terenie Puszczy Białowieskiej. Dzisiaj można ją zaobserwować w lasach północnej i wschodniej Europy – w Estonii i Finlandii, natomiast zasięg występowania tego gatunku rozciąga się aż po Japonię.

Ssaki, które przystosowały się do biernego lotu, występują również w innych częściach globu. Jednymi z nich są latawce, średniej wielkości ssaki, które potrafią się poruszać lotem ślizgowym. Obecnie znane są dwa gatunki należące do tego rzędu – lotokot filipiński, występujący jedynie na Filipinach, oraz łasicolot malajski. Gatunki te posiadają wyjątkowo duże fałdy skórne, które rozciągają się od szyi, poprzez boki tułowia, palce przednich kończyn, aż do tylnych łap i ogona. Te „latające dywaniki” mają rekordową powierzchnię nośną ze wszystkich ssaków. Nieco mniejszym fałdem dysponują przedstawiciele rodziny lotopałankowatych, którzy zamieszkują Australię i Nową Gwineę – biegnie on od nadgarstka aż do stawu skokowego i także umożliwia lot ślizgowy.

Wśród gadów ten rodzaj przemieszczania się opanował smok latający, czyli jaszczurka zamieszkująca Azję Południowo-Wschodnią, zwana także drako. Dzięki płatom skóry rozciągniętych na wydłużonych żebrach ten drobny gad potrafi poszybować nawet kilka metrów.

Interesującą ciekawostkę stanowią latające ryby, zwane ptaszorami. Wszystkie gatunki zaliczane do tej rodziny mają rozwinięte w charakterystyczny sposób płetwy piersiowe, które rozkładają się jeszcze pod wodą, tuż przed wynurzeniem się. Wtedy ryby przyspieszają, ruszając intensywnie płetwą ogonową, i… wyskakują z wody. W ten sposób mogą osiągnąć prędkość nawet 70 km/h. Podobną umiejętność opanowała pstrążenica marmurkowa, która znana jest wielu akwarystom. Dlaczego właściwie ryby latają? Ten spory wydatek energetyczny ma na celu przede wszystkim obronę przed drapieżnikami, którym można w ten sposób uciec z pola widzenia, a dodatkowo podczas lotu można upolować drobne owady nad taflą wody.

Podglądając przyrodę

Od wieków ludzie podpatrywali przyrodę i inspirowali się nią, a zdobytą wiedzę przenosili na grunt inżynierii i technologii. Dziś ta dziedzina nauki nosi nazwę biomimetyki. Już projekty inżynieryjne Leonarda da Vinci bazowały na obserwacji natury, szczególnie ptaków. W efekcie liczne wynalazki, które da Vinci stworzył oprócz znanych powszechnie dzieł sztuki, wykraczały poza czasy, w których żył. Swoje obserwacje na temat mechaniki lotu czy wpływu wiatru na skrzydła zawarł w zbiorze „O locie”, który powstał w latach 1490–1505.
Kolejnym przykładem są prototypy śmigłowców stworzone przez radzieckiego konstruktora Igora Sikorskiego, który zainspirował się lotem i budową skrzydeł ważek.

Źródło: Julia Melchior / Lasy Państwowe