En ung øyenstikker har nettopp frigjort seg fra puppen. Lufta i urskogen rundt den er fortsatt stille og blir ikke forstyrret av brummende insekter, men det endrer seg så snart insektets nye vinger er tørket i sola. Det forhistoriske kjempeinsektet tar av og foretar verdenshistoriens første flyvetur.
Siden de flygende insektene løftet seg fra bakken for vel 325 millioner år siden, har utviklingen av vinger igjen og igjen vist seg å være en trygg vei til suksess i dyreriket: Flaggermus – det eneste flygende
pattedyret – utgjør i dag en femtedel av alle pattedyrarter.
Dagens fugler er den eneste gruppen av dinosaurer som klarte å overleve masseutryddelsen etter det enorme meteornedslaget. Og den siste type av dyr som i dag er utstyrt med vinger –
insektene – er uten sidestykke jordas mest artsrike dyregruppe.
Nå har en rekke studier vist at flygende dyr ikke bare klarer seg godt fordi de kan slippe unna rovdyr ved å flykte oppover, men også fordi flyvning har gitt dem en rekke andre fordelaktige egenskaper.
Takket være vingene kan fugler for eksempel oppfatte verden dobbelt så raskt som mennesker, mens flaggermus kan tegne detaljerte 3D-kart i hjernen ved hjelp av lyd.
En spesiell vingeslagteknikk gir de minste insektene opptil 25 prosent mer energieffektiv oppdrift enn hos større dyr.
Unik teknikk sparer energi
En spesiell teknikk for vingeslagene gir de minste insektene opptil 25 prosent mer energieffektiv oppdrift enn hos større dyr.
Antallet arter eksploderte
Den første flygende øyestikkeren var mye større enn de som lever i dag. Forskere har funnet fossiler av forhistoriske øyestikkerarter med vingespenn på opp mot 70 centimeter. Artene tilhørte en slekt av insekter som kalles meganeuro, som hadde sin storhetstid for vel 380 millioner år siden.
I denne perioden inneholdt atmosfæren 35 prosent oksygen – i dag er nivået 21 prosent – noe øyestikkerne utnyttet for å vokse seg til enorme rovdyr som levde av mindre insekter. Men det var først da utviklet vinger at grunnsteinen til etterkommernes enorme suksess ble lagt.
Forskere har funnet de aller første avtegningene av vinger i fossiler av en slags kjempeøyestikkere som levde for omkring 325 millioner år siden. Nesten helt samtidig med denne evolusjonære innovasjonen i dyreriket kan forskerne se tydelig på fossilene de graver opp at artsrikdommen blant insekter eksploderte – det er en veldig sterk indikasjon på at vingene ga denne gruppen en stor fordel.
VIDEO – Se mikrodrone etterligne ekstremt manøvreringsdyktig bananflue:
Insekter er noen av naturens mest akrobatiske flyvere og kan både stå stille i lufta, fly baklengs og akselerere enormt raskt, men forskere har først nylig begynt å finne ut hvordan de klarer dette. Særlig teknikken de aller minste artene bruker, har vist seg å være en komplisert affære. En liten kropp er ikke nødvendigvis en fordel når den skal holdes i lufta, fordi dyret også må ha små vinger.
De må derfor slå så raskt at impulsene til nervesystemet ikke klarer å holde følge, mens større insekter som sommerfugler og humler kan nøye seg med én nerveimpuls per vingeslag og altså har synkronisert nervesignaler og aktivering av musklene.
1000 ganger i sekundet – så raskt flakser den lille midden forcipomyia med vingene.
Styringen av vingene er mye mer kompleks for de små insektene. Nervesignaler kan ikke forflytte seg med mer enn 360 km/t, og det er for sakte når noen av dyrene skal gi signaler til vingemusklene om å trekke seg sammen og slappe av mer enn 1000 ganger i sekundet.
Derfor har de minste insektene utviklet en teknikk der en gruppe muskler trekker seg sammen mange ganger for hvert nervesignal. Hver impuls utløser en slags ultrarask vibrasjon i musklene, som endrer formen på skjelettet og dermed får vingene til å bevege seg.
Muskelsammentrækninger ændrer insektets kropsform, så vingerne vibrerer op og ned.
Insekter endrer form for å kunne fly
Små insekter må slå med vingene over 1000 ganger i sekundet for å holde seg i lufta. Det er bare mulig fordi ulike muskelgrupper trekker hele kroppen raskt sammen fra ulike retninger.
- a (turkis) = vinger
- b (rosa) = vingeledd
- c (beige) = vertikale muskler, som trekker insektets kropp sammen fra rygg til buk, slik at vingene beveger seg oppover.
- d (oransje) = langsgående muskler, som trekker insektets kropp sammen på langs, slik at vingene beveger seg nedover.
Én elektrisk impuls fra nervesystemet kan på den måten bli til 40 vingeslag. Siden vingene er ute av takt med nervesystemet, kalles denne metoden for asynkron flyvning.
I tillegg til raskere vingebevegelser gir asynkrone muskler også de små insektene en rekke andre fordeler.
Muskelfibrene er ordnet svært symmetrisk i forhold til andre muskeltyper, og det mener forskerne er med på å øke vingenes slagkraft. Samtidig har zoologer observert at disse dyrene er flinkere til å stå stille i lufta og fly baklengs. Det ser ut til at de bruker lokale trykkendringer i lufta til å øke oppdriften. Gjennom historien har både bier, fluer, biller og teger uavhengig av hverandre skapt asymmetriske flymuskler.
Skanning gjør dinosaur til fugl
Insektene er ikke de eneste som har tatt en evolusjonær reise fra bakken til luftrommet. For omkring 150 millioner år siden levde dyret archaeopteryx, som har blitt beskrevet som «verdens første fugl». Forskerne har lenge vært uenige om denne beskrivelsen er korrekt.
Mange eksperter har pekt på at fossilene tydelig viser at dyret hadde vinger med fjær. Men det hadde også tenner og en lang hale, noe som er kjennetegn for landbaserte dinosaurer. Kritikere av fugleteorien har derfor hevdet at dyret ikke kunne fly, og at det bare representerte et utviklingsstadium i overgangen mellom dinosaur og fugl.
Archaeopteryx har lenge har blitt betraktet som verdens første fugl, men forskere har hele tiden vært uenige om den egentlig kunne fly. Nye studier av fossile hjerner viser imidlertid at dyret kunne bevege seg i lufta, selv om den neppe har fløyet store distanser.
Nå har forskere ved Ohio University kastet nytt lys over debatten ved å se nærmere på dyrets kranium. Siden flyvning er krevende rent motorisk, var forskernes hypotese at hvis dyret kunne fly, måtte hjernen ha vært større enn andre dinosaurhjerner.
Forskerne undersøkte derfor et 147 millioner år gammelt archaeopteryxkranium, og ved hjelp av 1300 røntgenbilder klarte de å gjenskape en 3D-utgave av dyrets hjerne i en datamaskin.
Datamodellen viste at hjernen hadde en størrelse på 1,6 milliliter – om lag tre ganger mer enn hos krypdyr av samme størrelse. Dessuten viste rekonstruksjonen at ørekanalen var bred, og det visuelle
senteret i hjernen var på størrelse med det man finner hos fugler. Dokumentasjonen av den velutviklede hjernen gjør at forskerne nå stort sett er enige om at archaeopteryx faktisk kunne fly, selv om den antagelig ikke har vært spesielt elegant i lufta.
Muskelmasse gjør kolibrien til luftakrobat
Den lille fuglen har spesialisert hver eneste en del av kroppen til livet i lufta. Kolibrien er den eneste fuglen som kan fly baklengs og stå stille i lufta.
Synsoppfatningen er som hos andre små fugler ekstremt raskt – kolibrier oppfatter derfor bevegelser dobbelt så raskt som mennesker.
Hjernen har et spesielt senter som gir fuglen en unik evne til instinktivt å kunne flykte i enhver retning, for den er spesielt utsatt når den svever.
Skulderleddet er fleksibelt, slik vingen kan bevege seg i 8-tallsbevegelser. I motsetning til andre fugler skaper en kolibri oppdrift hele tiden.
De såkalte svingfjærene kan justere formen og størrelsen på overflaten av vingene. Dermed kan fuglen styre hvor mye oppdrift hvert vingeslag skal gi.
Brystmusklene er større enn hos andre fugler. Vanligvis utgjør muskulatur 15 prosent av kroppsvekten, men hos kolibrien er det hele 30 prosent.
føttene er minimale, slik at fuglen ikke må slepe på unødvendig vekt når det er i lufta. Det gjør imidlertid at kolibrier ikke kan gå.
Fugler ser verden i sakte film
Flyvning krever skjerpede sanser, og det er særlig tydelig hos dagens fugler, som har dyrerikets beste øyne. Hos rovfuglene har det vært nødvendig å utvikle et skarpt syn.
Derfor er øynene plassert tett sammen, slik at synsinntrykkene fra øynene overlapper hverandre. En usedvanlig høy tetthet av reseptorer i netthinnen, sammen med såkalt binokulært syn, som mennesker også har, gir et så skarpt syn at ørner for eksempel kan få øye på et byttedyr på størrelse med en kanin selv om den er over tre kilometer unna.
Nylig har forskere ved Uppsala Universitetet påvist at også andre fugler har svært imponerende visuelle evner. I et forsøk ble ville småfugler som blåmeis og fluesnapper fanget inn av forskere.
Deretter ble de belønnet hvis de klarte å gjenkjenne blink fra en lampe. Ved å øke frekvensen på blinkingen utfordret forskerne fuglenes evne til å oppfatte raske synsinntrykk, og de klarte å fange opp blinkingen selv om den gikk utrolig raskt.
385 kroppslengder i sekundet er toppfarten til en kolibri – åtte ganger raskere enn et F-15-fly.
Fluesnapperen kunne oppfatte blink som varte i bare sju millisekunder. Til sammenligning kan mennesker i beste fall fange opp synsinntrykk på 16 millisekunder. Hvis fuglenes syn kunne overføres til mennesker, ville det se ut som om ting beveget seg i sakte film. De små fuglene lever av å spise flyvende insekter, så den lynraske synsoppfatningen er avgjørende for at de skal overleve.
Pattedyret går på vingene
Pattedyrene var den siste dyregruppen som utviklet evnen til å fly. Det skjedde for om lag 50 millioner år siden, da de første flaggermusene gikk på vingene. Siden den gang har det flygende pattedyret spesialisert seg som en jeger i nattemørke, siden det kan orientere seg ved hjelp av lyd. Det krever en sofistikert hjerne.
Flaggermusen er det eneste flygende dyret som kan variere stivheten i vingene.
Vinger av hud gir flaggermus kraftigere vingeslag
Flaggermus har ikke stive vinger, som fugler og insekter. I den hudmembranen som utgjør vingespennet, er det muskler som gir dyret ekstra kraft i vingeslaget.
Ved Johns Hopkins University i USA har et team av hjerneforskere laget et eget laboratorium for å undersøke hvordan flaggermus navigerer. Med kameraer og mikrofoner plassert på veggene kan forskerne observere dyrene under flyvning.
Samtidig følger små sensorer hjerneaktiviteten mens flaggermusene forsøker å manøvrere gjennom en hinderbane.
Forskerne mener at flaggermusen danner et såkalt statisk kart over omgivelsene, som dyret kan lagre i hukommelsen. Nerveceller legger et imaginært gitter over kartet, og når dyret passerer en av linjene, aktiveres ulike nerveceller som dermed gir kunnskap om hvor dyret befinner seg.
Andre spesialiserte nerveceller sender ut signaler når dyrets hode er i en bestemt vinkel i forhold til omverdenen, og informerer om avstanden til det målet som flaggermusen har valgt ut.
160 km/t i vannrett flukt er rekorden for verdens raskeste dyr, meksikansk bulldoggflaggermus.
Flaggermus danner også et dynamisk kart i hjernen, som i motsetning til den statiske konstanten holder dyret i sentrum, slik vi kjenner det fra GPS-navigasjon. Informasjonen kartet er basert på, kommer fra ekkolokaliseringssystemet. Det fungerer ved at flaggermusen sender ut ultralydimpulser som treffer objekter i omgivelsene.
Når ekko fra signalene reflekteres og bearbeides i hjernen, gir det flaggermusen informasjon om avstander og retninger til objektene rundt den, og det avtegnes som et detaljert kart over omgivelsene i hjernen.
Forskere har for eksempel funnet ut at flaggermusene til tider sender ut flere ultralydsignaler, og hypotesen er at de intense signalsekvensene gir dyret muligheter for å «fokusere» på objekter som er av spesiell interesse, noe som kan være nyttig når dyret for eksempel navigerer i tett skog.
Verdens første flaggermus, Onychonycteris finneryi, var tolv centimeter lang og hadde klør på fem tær – i motsetning til dagens flaggermus som bare har 1–2 klør på hver side. Den kunne fly, men den orienterte seg uten bruk av ekkolokalisering. Forskere mener derfor at den var aktiv om dagen.
Flaggermusen har dermed de samme superskarpe sansene som fuglene har, men fordi dyret har gjort seg uavhengig av visuelle inntrykk, kan det gå på jakt om natten, da det er mye færre rovdyr å ta hensyn til.
Samtidig har evnen til å kartlegge store områder og lagre det i hjernen gjort dyrene i stand til å fly langt for å finne områder der det er mye mat, noe som har vært helt avgjørende.
Dronebyggere lærer av dyr
Flaggermusenes navigasjonssystemer kan også komme oss mennesker til gode. Den amerikanske hjerneforskeren og flaggermuseksperten Seth Horowitz jobber med et sensorapparat som etterligner flaggermusenes ekkolokaliseringssystem. Tanken er at blinde kan bruke apparatet til å sende ut signaler og motta ekko fra omgivelsene.
Apparatet sender ut ultralyd i mange ulike frekvenser og kan på den måten skille ulike typer objekter fra hverandre. Ekkoene fra ett frekvensområde kan for eksempel gi informasjon om store hindre, mens et
annet område advarer om mindre objekter som beveger seg raskt. Utfordringen er å presentere lydene på en måte som danner et klart bilde av omgivelsene hos mennesker.
Også fuglene inspirerer forskerne. Hjerneforsker Niels Rattenborg fra Max Planck Institute for Ornithology har nylig vist at fugler kan sove – og til og med oppnå det ettertraktede REM-søvnstadiet – mens de flyr.
Mange fuglearter kan sove med én hjernehalvdel av gangen. Det kan blant annet observeres ved at de sover med det ene øyet åpent.
Fuglene gjør dette ved å sove med én hjernehalvdel av gangen. Siden søvnunderskudd er et voksende
problem blant mennesker, håper Niels Rattenborg at studiene av fuglene kan bidra til å hjelpe folk som sliter med å sove.
Forskere ved Universitetet i Wageningen i Nederland har latt seg inspirere av den unike stabiliteten insekter har i lufta når de jobber med å bygge en ny type
drone. Studier av bananfluer har vist at dyrene kan holde seg flygende på tross av vingeskader ved blant annet å endre frekvensen av vingeslagene.
Nå har de bygget en insektinspirert drone som kan holde seg i lufta med bare én vinge. Dermed har forskerne avslørt enda en av de utrolige egenskapene til de flygende dyrene.