Flue med udslåede vinger

Vinger er naturens genvej til succes

De har gjort insekter til Jordens talrigeste livsform og givet fugle dyrerigets bedste øjne. Vinger er naturens sikreste vej til succes, og nu kan forskere afsløre, at flyvende dyr gemmer på skjulte evner, der kan komme mennesker til gode.

Shutterstock

En ung guldsmed har netop frigjort sig fra sin puppe. Luften i urskoven rundt omkring den er stadig stille og bliver ikke forstyrret af brummende insekter, men det ændrer sig, så snart insektets nye vinger er tørret i solen. Det forhistoriske kæmpeinsekt sætter af fra jorden og tager verdenshistoriens første flyvetur.

Siden de flyvende insekter løftede sig fra landjorden for godt 325 millioner år siden, har udviklingen af vinger igen og igen vist sig at være en sikker vej til succes i dyreriget: Flagermus – det eneste flyvende pattedyr – udgør i dag en femtedel af alle pattedyrarter.

Fugle er den eneste gruppe af dinosaurer, som formåede at overleve masseudryddelsen af de forhistoriske kæmpedyr. Og den sidste gruppe af dyr, der i dag har vinger – insekterne – er uden sidestykke Jordens mest artsrige dyregruppe.

Nu har en række undersøgelser vist, at flyvende dyr ikke kun klarer sig godt, fordi de kan undslippe rovdyr ved at flygte opad, men også fordi flyvning har givet dem en række fordelagtige egenskaber.

Takket være vingerne kan fugle fx opfatte verden dobbelt så hurtigt som mennesker, mens flagermus kan tegne detaljerede 3D-kort i hjernen ved hjælp af lyd.

En særlig vingeslagsteknik giver de mindste insekter op til 25 procent mere energieffektiv opdrift end hos større dyr.

Unik flyveteknik sparer energi

En særlig vingeslagsteknik giver de mindste insekter op til 25 procent mere energieffektiv opdrift end hos større dyr.

  • Flue åbner vingerne

    Vingerne åbner som en bog

    De samlede vinger skilles ved bagkanterne og åbner som en bog. Forkanterne holdes samlet, mens vingeslaget går ned langs kroppen.

  • Fluens vinger bevæger sig ned langs kroppen

    Undertryk skaber opdrift

    På oversiden af vingerne dannes et undertryk, som suger luft ind fra undersiden. Det skaber opdrift, som svarer til halvanden gange dyrets vægt.

  • Fluens vinger vender tilbage til start

    Vingerne vender tilbage til start

    Vingerne skilles og udligner trykforskellen. Med en fejende bevægelse føres de op langs kroppen og tilbage til udgangspunktet.

Antallet af arter eksploderede

Den første flyvende guldsmed var langt større end sine nulevende efterkommere. Forskere har fundet fossiler af forhistoriske guldsmedearter med vingefang på op mod 70 cm. Arterne tilhørte en slægt af insekter kaldet meganeura, som havde sin storhedstid for godt 380 millioner år siden.

I denne periode indeholdt atmosfæren 35 pct. ilt – i dag er niveauet 21 pct. – hvilket guldsmedene udnyttede til at vokse sig til enorme rovdyr, der levede af mindre insekter. Men det var først, da de som det første dyr udviklede vinger, at grundstenen til deres efterkommeres store succes blev lagt.

Forskere har fundet de første aftegninger af vinger i fossiler af kæmpeguldsmede, der levede for omkring 325 millioner år siden. Samtidig med denne nye evolutionære nytænkning i dyreriget kan forskerne se på de fundne fossiler, at artsrigdommen blandt insekter eksploderede – det tyder på, at vingerne gav dem en stor fordel.

VIDEO – Se mikrodrone efterligne ekstremt manøvredygtig bananflue:

Insekter er nogle af naturens mest alsidige flyvere og kan både svæve, flyve baglæns og accelerere enormt hurtigt, men forskere er først for nylig begyndt at aflure, hvordan de bærer sig ad. Her har særligt de allermindste arters flyveteknik vist sig som en kompliceret affære.

En lille krop er ikke nødvendigvis en fordel, når kroppen skal holdes i luften, fordi dyret har tilsvarende små vinger. De er derfor nødt til at slå så hurtigt, at nervesystemets impulser ikke kan følge med, mens større flyvende insekter som sommerfugle og humlebier kan nøjes med én nerveimpuls pr. vingeslag og altså har synkroniseret nervesignaler og aktivering af musklerne.

1000 gange i sekundet – så hurtigt basker det lille mitte-insekt forcipomyia med sine vinger.

Vingernes styring er langt mere kompleks for de mindre insekter. Nervesignaler rejser højst med 360 km/t, og det er for langsomt, når nogle af dyrene skal give signal til vingemusklerne om at trække sig sammen og slappe af mere end 1000 gange i sekundet.

Derfor har de mindste insekter udviklet en teknik, hvor en gruppe muskler trækker sig sammen og strækker sig mange gange for hvert nervesignal. Hver impuls udløser en slags ultrahurtig vibration i musklerne, som ændrer formen på dyrets skelet og derved får vingerne til at bevæge sig.

Muskelsammentrækninger ændrer insektets kropsform, så vingerne vibrerer op og ned.

Insekter ændrer form for at flyve

Små insekter skal blafre med vingerne over 1000 gange i sekundet for at holde sig i luften. Det kan kun lade sig gøre ved, at forskellige muskelgrupper trækker hele kroppen ultrahurtigt sammen på alle ledder og kanter.

  • a (turkis) = vinger
  • b (pink) = vingeled
  • c (beige) = vertikale muskler, der trækker insektets krop sammen fra ryg til bug, så vingerne bevæger sig opad.
  • d (orange) = langsgående muskler, der trækker insektets krop sammen på den lange led, så vingerne bevæger sig nedad.

Én elektrisk impuls fra nervesystemet kan på den måde blive til 40 vingeslag. Da vingerne er ude af takt med nervesystemet, kaldes denne metode for asynkron flyvning.

Ud over hurtigere vingebevægelser giver asynkrone muskler også de små insekter en række andre fordele. Muskelfibrene er ordnet meget symmetrisk i forhold til andre muskeltyper, og det mener forskerne er med til at øge vingernes slagkraft.

Samtidig har zoologer observeret, at asynkrone flyvere har større talent for både baglæns flyvning og svævning og kan udnytte luftens lokale trykændringer til at øge deres opdrift. Gennem historien har både bier, fluer, biller og tæger uafhængigt af hinanden skabt asymmetriske flyvemuskler.

Skanning gør dinosaur til fugl

Insekterne er ikke de eneste, der har taget en evolutionær rejse fra landjorden til luftrummet. For omkring 150 millioner år siden udvikledes væsenet archaeopteryx, som har været beskrevet som “verdens første fugl”.

Forskerne har længe været uenige om, hvorvidt denne beskrivelse er fagligt korrekt. Mange eksperter har peget på, at fossiler tydeligt viser, at dyret havde fjerede vinger. Omvendt havde det både tænder og en lang, knoglet hale, hvilket er kendetegn, der går igen hos samtidige landbaserede dinosaurer.

Kritikere af fugleteorien har derfor hævdet, at dyret ikke kunne flyve, og at det blot repræsenterede et udviklingsstadie på overgangen mellem dinosaur og fugl.

Archaeopteryx, verdens første fugl

Skønt dyret archaeopteryx længe har været betragtet som verdens første fugl, har forskere verden over været uenige om, hvorvidt den egentlig kunne flyve. Nye undersøgelser af fossile hjerner viser imidlertid, at dyret kunne bevæge sig i luften, selvom det næppe har fløjet store distancer.

© Jane Burton/Getty Images

Nu har forskere fra Ohio University kastet nyt lys over stridspunkterne ved at se nærmere på dyrets kraniestørrelse. Da flyvning er enormt krævende rent motorisk, var forskernes hypotese, at hvis dyret kunne flyve, måtte hjernen have været relativt større end andre dinosaurhjerner.

Forskerne undersøgte et 147 mio. år gammelt archaeopteryx-kranie, og ved hjælp af 1300 røntgenbilleder genskabte de en 3D-udgave af dyrets hjerne i en computer. Computermodellen viste, at hjernen var 1,6 milliliter stor – cirka et tre gange større volumen end hos krybdyr af samme størrelse.

Desuden viste rekonstruktionen, at dens ørekanal var bred, og det visuelle center i hjernen var stort og på størrelse med det, man finder hos nutidige fugle. Med beviset for den veludviklede hjerne er forskerne nu stort set enige om, at archaeopteryx faktisk var i stand til at flyve, selvom den formentlig ikke har været særligt adræt i luften.

Fugle ser verden i slowmotion

Flyvning kræver skærpede sanser, og det er især tydeligt hos nutidens fugle, der har dyrerigets bedste øjne. Hos rovfuglene har det været nødvendigt at udvikle et skarpt syn på tværs af lange afstande. Derfor er deres øjne placeret tæt sammen, så synsindtrykkene fra begge øjne overlapper hinanden.

Det såkaldte binokulære syn, som mennesker også har, giver sammen med en usædvanligt høj tæthed af receptorer i nethinden dyrene et så skarpt syn, at ørne fx kan spotte et bytte på størrelse med en kanin på en afstand af over tre kilometer.

Kolibri

Muskelmasse gør kolibrien til luftakrobat

Den lille fugl har specialiseret hver en del af kroppen til livet i luften. Som den eneste fugl kan kolibrien både flyve baglæns og stå stille i luften.

Shutterstock
Kolibri øjne

Synsopfattelsen er som hos andre småfugle ekstremt hurtig – kolibrier opfatter derfor bevægelser dobbelt så hurtigt som mennesker.

Shutterstock
Kolibriens hjerne

Hjernen har et særligt center, som giver fuglen en unik evne til instinktivt at kunne flygte i enhver retning, da den er særlig udsat, når den svæver i luften.

Shutterstock
Kolibriens skulderled

Skulderleddet er fleksibelt, så vingen kan bevæge sig i vandrette 8-talsbevægelser. I modsætning til andre fugle skaber vingeslagene opdrift hele tiden.

Shutterstock
Kolibriens vingefjer

Vingernes såkaldte svingfjer kan justere formen og størrelsen på vingernes overflade. Dermed kan fuglen med præcision styre styrken på vingeslagets opdrift.

Shutterstock
Kolibriens brystmuskler

Brystmusklerne er relativt større end hos andre fugle. Hvor muskulaturen normalt udgør 15 pct. af kropsvægten, står den hos kolibrien for hele 30 pct.

Shutterstock
Kolibriens fødder

Fødderne er minimale, så fuglen ikke hæmmes af deres vægt i luften. Til gengæld kan en kolibri ikke bruge sine fødder til decideret gang.

Shutterstock

For nylig har forskere på Uppsala Universitetet i Sverige påvist, at også byttefugle har imponerende visuelle evner. I et forsøg med indfangne vilde småfugle af arter som blåmejse, hvidhalset fluesnapper og broget fluesnapper blev dyrene belønnet, når de kunne genkende blink fra en lampe.

Ved at sætte blinkefrekvensen op udfordrede forskerne fuglenes evne til at opfatte hurtige synsindtryk, indtil blinkene blev udsendt så hurtigt, at fuglene ikke længere opfattede lyset som blinkende.

385 kropslængder i sekundet er en kolibris topfart – otte gange hurtigere end et F-15-jagerfly.

Den brogede fluesnapper kunne opfatte blink helt ned til syv millisekunders varighed. Til sammenligning kan menneskers hjerner i bedste tilfælde opfange synsindtryk på 16 millisekunder. Hvis fuglenes syn kunne overføres til mennesker, ville det for os se ud, som om alting bevægede sig i slowmotion.

De små fugle lever af at æde insekter, så den lynhurtige synsopfattelse er afgørende for, at de kan fange deres flyvende bytte i luften.

Pattedyret går på vingerne

Som den sidste dyregruppe udviklede pattedyrene evnen til at flyve for godt 50 millioner år siden, hvor de første flagermus gik på vingerne. Siden har det flyvende pattedyr specialiseret sig til en natlig jæger, som kan orientere sig kun ved hjælp af lyd og en meget sofistikeret hjerne.

Flagermus kan ændre vingens hårdhed
Flagermusen er som det eneste flyvende dyr i stand til at variere stivheden af sine vinger.

Vinger af hud giver flagermus kraftigere vingeslag

I modsætning til fugle og insekter er flagermusens vinger ikke stive. Den formbare hudmembran, der udgør vingespændet, er fyldt med muskler, som giver dyret ekstra kraft i vingeslaget.

  • Elastiske fibre i flagermusens vinger

    Elastiske fibre gør vingen glat

    Elastiske fibre rynker huden, når vingen er afslappet. Luftmodstand fra vingeslaget spænder vingen ud, så den bliver en glat og dermed langt mere aerodynamisk overflade.

  • Flagermusens håndled

    Vingens fingre samles i håndleddet

    Flagermusens håndled er knudepunktet for en stor del af vingen. Herfra udgår de lange fingerknogler, som membranen er udspændt imellem.

  • Fibrene i flagermusens vinger

    Muskler gør vingen hård

    På tværs af de elastiske fibre går tynde muskelfibre, som aktiveres ved vingeslagets nedadgående bevægelse. Spændingen gør vingen hårdere og øger dermed effekten af vingeslaget.

På Johns Hopkins University i USA har et hold hjerneforskere indrettet et lokale til at undersøge flagermusenes navigationsevner i luften.

Med kameraer og mikrofoner placeret på væggene kan forskerne observere dyrene under flyvning. Samtidig følger små indopererede sensorer hjerneaktiviteten, mens flagermusene forsøger at manøvrere gennem en forhindringsbane.

Forskerne mener, at flagermusen danner et såkaldt statisk kort over omgivelserne, som dyret kan lagre i hukommelsen. Nerveceller lægger et imaginært gitter over kortet, og når dyret passerer en af gitterets linjer, aktiveres forskellige nerveceller, som derved giver dyret viden om, hvor det befinder sig på kortet.

Andre specialiserede nerveceller udsender signaler, når dyrets hoved er i en bestemt vinkel i forhold til omverdenen, og informerer om afstanden til det mål, som flagermusen har udvalgt sig.

160 km/t i vandret flugt er topfarten for verdens hurtigste dyr, den mexicanske bulldogflagermus.

Flagermusen danner også et dynamisk kort i hjernen, som i modsætning til det statiske konstant holder dyret i centrum, ligesom vi kender det fra GPS-navigation. Informationerne til kortet kommer fra flagermusens såkaldte ekkolokaliseringssystem.

Grundlæggende virker systemet ved, at flagermusen udsender ultralydsimpulser, som rammer objekter i omgivelserne. Når signalernes ekko vender retur og bearbejdes i hjernen, giver det flagermusen information om afstande og retninger til objekterne omkring den, som tegner et detaljeret kort over omgivelserne i hjernen.

Forskere har fx fundet ud af, at flagermusene til tider udsender flere ultralydssignaler, og deres hypotese er, at de in­ten­se signalsekvenser giver dyret mulighed for at “stille skarpt” på objekter af særlig interesse, hvilket kan være nyttigt, når dyret eksempelvis navigerer i tæt skov.

Verdens første flagermus

Verdens første flagermus, Onychonycteris finneryi, var 12 cm lang og havde kløer på alle potens fem tæer – i modsætning til nutidens flagermus, der kun har 1-2 kløer pr. pote. Derudover kunne den flyve, men den orienterede sig uden brug af ekkolokaliseringssystemer, og forskere mener derfor, at den var aktiv om dagen.

© Nobu Tamura

Flagermusen har dermed samme superskarpe sanser som fuglene, men fordi dyret har gjort sig uafhængigt af visuelle indtryk, kan det jage i ly af natten, hvor der er meget få rovdyr at tage hensyn til.

Samtidig har evnen til at kortlægge store områder og lagre det i hjernen gjort dyrene i stand til at flyve langt for at finde gode områder med masser af føde, hvilket har været afgørende for de flyvende pattedyrs succes.

Dronebyggere tager ved lære af dyr

Flagermusenes navigationssystemer kan også komme mennesker til gavn. Den amerikanske hjerneforsker og ekspert i flagermus Seth Horowitz arbejder på et sensorapparat, der efterligner flagermusenes ekkolokaliseringssystem.

Tanken er, at blinde og svagtseende kan bruge apparatet til at udsende signaler og modtage ekkoer fra omgivelserne. Apparatet udsender ultralyd i mange forskellige frekvenser og kan på den måde skelne forskellige typer objekter fra hinanden.

Ekkoerne fra ét frekvensområde kan fx give information om store forhindringer forude, mens et andet område advarer om mindre objekter, der bevæger sig hurtigt. Udfordringen er at præsentere lydene på en måde, som danner et klart billede af omgivelserne hos den synshæmmede.

På samme vis inspirerer fuglene også forskerne. Hjerneforsker Niels Rattenborg fra Max Planck Institute for Ornithology har for nylig vist, at fugle kan sove – og endda opnå det eftertragtede REM-søvnstadie – mens de flyver.

Ugle sover med et øje åbent

Mange fuglearter er i stand til at sove med én hjernehalvdel ad gangen. Det kan blandt andet observeres ved, at de sover med det ene øje åbent.

© Shutterstock

Fuglene gør dette ved at sove med én hjernehalvdel ad gangen. Da søvnunderskud er et voksende problem blandt mennesker, håber Niels Rattenborg, at fuglene kan gøre ham klogere på, hvordan mennesker i fremtiden kan
blive bedre til at administrere søvnmangel.

Endelig har forskere på Wageningen University i Holland ladet sig inspirere af insekters unikke flyvestabilitet til at bygge fremtidens usårlige drone. Undersøgelser af bananfluer har vist, at dyrene kan holde sig flyvende på trods af større vingeskader ved blandt andet at ændre på frekvensen af deres vingeslag.

Nu har de bygget en insekt-inspireret drone, som kan holde sig i luften med kun én funktionsdygtig vinge. Dermed har forskerne afluret endnu én af de flyvende dyrs utrolige egenskaber.

Læs også:

Komet

22. april: Komet bader Jorden i stjerneskud

1 minut
Mircroraptor
Dyr

Sådan opstod vingerne i dyreriget

1 minut
Robotter

Robotter på job: I militæret

0 minutter

Log ind

Fejl: Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klik hér

Ny bruger? Få adgang nu!