Vingar är naturens genväg till framgång

Antalet arter exploderade

Den första flygande trollsländan var betydligt större än sina nu levande släktingar. Forskare har hittat fossil av förhistoriska trollsländor med en vingbredd på uppemot 70 centimeter.

Arterna tillhörde ett släkte insekter som kallas Meganeura och som hade sin storhetstid för drygt 380 miljoner år sedan. Under denna period innehöll atmosfären 35 procent syre (dagens nivå är 21 procent), vilket trollsländorna utnyttjade för att växa till enorma rovdjur som levde av mindre insekter. Det var dock först när det första djuret utvecklade vingar som grundstenen till deras släktingars stora framgång lades.

Forskare har hittat de första avtrycken av vingar på fossil av jättetrollsländor som levde för omkring 325 miljoner år sedan. Samtidigt med detta evolutionära nytänkande inom djurriket kan forskarna se på fossilfynden att artrikedomen bland insekterna exploderade, vilket tyder på att vingarna gav dem en stor fördel.

VIDEO – Se mikrodrönare härma extremt manöverdugliga bananflugor:

Insekterna är några av naturens mest mångsidiga flygare. De kan sväva, flyga baklänges och accelerera oerhört snabbt. Forskarna har dock först nyligen börjat förstå hur de bär sig åt. I det här sammanhanget har framför allt de allra minsta arternas flygteknik visat sig vara komplicerad. En liten kropp är inte nödvändigtvis en fördel när kroppen ska hållas uppe i luften, eftersom djuret då även har små vingar.

De måste slå så snabbt att nervsystemets impulser inte hinner med, medan det för större flygande insekter som fjärilar och humlor räcker med en nervimpuls per vingslag. De har därmed synkroniserat nervsignalerna och aktiveringen av musklerna.

Vingarnas styrning är betydligt mer komplex för mindre insekter.

Nervsignaler kan inte överföras i högre hastighet än 360 kilometer i timmen. Det är för långsamt eftersom en del av djuren måste skicka signaler till vingmusklerna om att dra ihop sig och slappna av över tusen gånger i sekunden.

Därför har de minsta insekterna utvecklat en teknik där en muskelgrupp drar ihop sig och sträcks ut flera gånger för varje nervsignal. Varje impuls utlöser en ultrasnabb vibration i musklerna, vilket förändrar formen på djurets skelett och därmed får vingarna att röra sig.

En enda elektrisk impuls från insektens nervsystem kan på så sätt omvandlas till 40 vingslag. Eftersom vingarna är ur takt med nervsystemet kallas denna metod för asynkron flygning.
Förutom snabbare vingrörelser ger asynkrona muskler även de små insekterna andra fördelar.

Muskelfibrerna är mer symmetriskt ordnade än andra muskeltyper, vilket sannolikt bidrar till att öka vingarnas slagkraft. Samtidigt har zoologer observerat att asynkrona flygare är bättre på både
baklängesflygning och hovring samt att de kan utnyttja lokala tryckförändringar i luften för att öka sin bärkraft. Genom historien har bin, flugor, skalbaggar och fästingar utvecklat asynkrona flygmuskler oberoende av varandra.

Skanning gör dinosaurie till fågel

Insekterna är inte ensamma om att ha gjort en evolutionär resa från marken till luften. För cirka 150 miljoner år sedan utvecklades djuret Archaeopteryx, som har beskrivits som världens första fågel. Forskarna har länge varit oense om huruvida den beskrivningen stämmer. Många experter har påpekat att fossil tydligt visar att djuret hade fjäderklädda vingar.

Det hade emellertid också tänder och en lång, benig svans, vilket är kännetecken som går igen hos samtida landlevande dinosaurier. Kritiker av fågelteorin har därför hävdat att djuret inte kunde flyga och att det bara utgjorde ett utvecklingsstadium mellan dinosaurie och fågel.

Nu har en grupp forskare vid Ohio University i USA kastat nytt ljus över dessa tvistefrågor genom att titta närmare på djurets kraniestorlek. Eftersom flygning är ytterst krävande rent motoriskt var forskarnas hypotes att om djuret kunde flyga så måste hjärnan ha varit relativt sett större än andra dinosauriers hjärnor. Forskarna studerade ett 147 miljoner år gammalt kranium från en Archaeopteryx, och med hjälp av 1 300 röntgenbilder återskapade de en tredimensionell version av djurets hjärna i en dator.

Datormodellen visade att hjärnan var 1,6 milliliter stor, cirka tre gånger större volym än hos kräldjur av samma storlek. Dess-
utom visade rekonstruktionen att djurets hörselgång var bred och att syncentrum i hjärnan var ungefär lika stort som hos nu­tida fåglar. I och med beviset för en så väl­utvecklad hjärna är forskarna nu i stort sett eniga om att Archaeopteryx faktiskt kunde flyga, även om den förmodligen inte var särskilt smidig i luften.

Fåglar ser världen i slow motion

Flygning kräver skarpa sinnen, vilket märks framför allt hos moderna fåglar, som har djurrikets bästa ögon. Hos rovfåglarna har det varit nödvändigt att utveckla en skarp syn för att se långt. Därför sitter deras ögon tätt ihop så att synintrycken från ögonen överlappar varandra.

I kombination med en ovanligt hög täthet av receptorer i näthinnan ger denna så kallade binokulära syn, som även människor har,
örnar en så skarp syn att de exempelvis kan upptäcka ett byte stort som en kanin på över tre kilometers avstånd.

Nyligen har en grupp forskare vid Uppsala universitet visat att även bytesfåglar har imponerande syn. I ett försök med infångade vilda småfåglar av arter som blåmes, halsbandsflugsnappare och svartvit flugsnappare belönades djuren när de kände igen blinkningar från en lampa.

Genom att öka blinkningsfrekvensen utmanades fåglarnas förmåga att uppfatta snabba synintryck, till dess blinkningarna var så snabba att fåglarna inte längre uppfattade att ljuset blinkade.

Arten svartvit flugsnappare kunde uppfatta blinkningar ända ner till sju millisekunders varaktighet. I jämförelse kan människans hjärna i bästa fall registrera synintryck på 16 millisekunder. Om fåglarnas syn kunde överföras till människor skulle det för oss se ut som om allting rörde sig i slow motion. De små fåglarna lever av att äta insekter, så den blixtsnabba synuppfattningen är avgörande för att de ska kunna fånga sitt byte i luften.

Däggdjur lättar från marken

Som sista djurgrupp utvecklade däggdjuren förmågan att flyga för drygt 50 miljoner år sedan, då de första fladdermössen lättade från marken. Sedan dess har det flygande däggdjuret specialiserat sig och blivit en nattlig jägare som kan orientera sig med hjälp av enbart ljud. Fladdermössens hjärna är mycket sofistikerad.

På Johns Hopkins University i USA har en grupp hjärnforskare inrättat en lokal för att studera fladdermössens förmåga att navigera i luften. Med kameror och mikrofoner utplacerade på väggarna kan forskarna studera djuren i flykten. Samtidigt följer små inopererade sensorer hjärnaktiviteten medan fladdermössen försöker manövrera genom en hinderbana.

Forskarna tror att fladdermössen bildar en så kallad statisk karta över sina omgivningar, som de kan lagra i minnet.

Nervceller placerar ett imaginärt rutnät över kartan och när djuret passerar en av rutnätets linjer aktiveras olika nervceller, som informerar djuret om var på kartan det befinner sig. Andra specialiserade nervceller avger signaler när djurets huvud befinner sig i en viss vinkel i förhållande till omgivningarna och informerar om avståndet till det mål som fladdermusen har utsett.

Fladdermusen skapar också en dynamisk karta i hjärnan, som till skillnad från den statiska konstant håller djuret i centrum, ungefär som vid gps-navigering.

Informationen till denna karta kommer från djurets så kallade ekolokaliseringssystem. Systemet fungerar på så sätt att fladdermusen ger ifrån sig ultraljudsimpulser som träffar föremål i dess omgivning. När signalernas eko studsar tillbaka och bearbetas i hjärnan får fladdermusen information om avstånd och riktningar till föremål i närområdet, vilket skapar en detaljerad karta i hjärnan.

Forskare har märkt att fladdermöss ibland ger ifrån sig flera ultraljudssignaler. Deras hypotes är att extra starka signalsekvenser gör det möjligt för dem att rikta in sig på föremål av särskilt intresse, vilket kan vara bra när de navigerar i en tät skog.

Fladdermöss har därmed samma superskarpa sinnen som fåglarna, men eftersom de har gjort sig oberoende av synintryck kan de jaga mitt i natten då det inte finns lika många rovdjur att oroa sig för.

Samtidigt har förmågan att kartlägga stora områden och lagra dem i hjärnan gjort det möjligt för fladdermössen att flyga långt för att hitta områden med mycket föda, vilket har varit avgörande för deras framgångar.

Drönarkonstruktörer lär sig av djur

Fladdermössens navigationssystem kan även vara till gagn för oss människor. Den amerikanske hjärnforskaren och fladdermusexperten Seth Horowitz arbetar med en apparat som efterliknar fladdermössens ekolokaliseringssystem. Tanken är att synskadade personer och personer med synnedsättningar ska kunna använda apparaten för att sända signaler och ta emot ekon från omgivningarna. Apparaten sänder ut ultraljud i flera olika frekvenser och kan på så sätt skilja mellan olika typer av föremål.

Ekona från ett frekvensområde kan exempelvis ge information om stora hinder längre fram medan ett annat område varnar för mindre föremål som rör sig snabbt.

Utmaningen är att presentera ljuden på ett sätt som ger en klar bild av omgivningarna för den synskadade personen.

Forskarna inspireras även av fåglar. Hjärnforskaren Niels Rattenborg vid tyska Max Planck-institutet för ornitologi visade nyligen att fåglar kan sova – och rentav uppnå det eftertraktade REM-sömnstadiet – medan de flyger.

Det lyckas fåglarna med genom att sova med en hjärnhalva i taget. Eftersom sömnunderskott är ett växande problem bland människor hoppas Niels Rattenborg att fåglarna kan lära honom mer om hur vi kan bli bättre på att hantera sömnbrist.

Slutligen har forskare vid Wageningen University i Holland låtit sig inspireras av insekters stabilitet i luften för att bygga osårbara drönare.

Studier av bananflugor har visat att djuren kan hålla sig flygande trots större vingskador genom att bland annat anpassa frekvensen av vingslagen.

Nu har de byggt en insektsinspirerad drönare som kan hålla sig i luften med bara en funktionsduglig vinge.