Lot owadów
Owady były pierwszymi zwierzętami w ewolucji, które rozwinęły skrzydła. Najstarsze dowody można znaleźć w karbonie ok. 320 mln lat temu. Są jedyną uskrzydloną klasą wśród bezkręgowców .
Skrzydła owadów wykonane są z chityny , ich krawędzie natarcia są usztywnione, a pozostała część pozostaje elastyczna . Ze względu na mniejsze rozmiary w porównaniu z kręgowcami częstość trzepotania skrzydeł jest zwykle znacznie wyższa.
Owady latające są najbogatszą gatunkowo grupą w całym królestwie zwierząt. Większość gatunków ma dwie pary skrzydeł.
Mięśnie lotu
Ważki i jętki mają mięśnie lotu bezpośredniego, ale większość rzędów owadów ma mięśnie lotu pośredniego.
Wartości od 0 (szybowanie ważek) do 1046 Hz dla małych komarów (rodzaj Forcipomyia , Ceratopogonidae ) zmierzono jako częstotliwości trzepotania skrzydeł dla różnych owadów . Ponieważ mięśnie nie mogą być kontrolowane przez bezpośrednich impulsów nerwowych na tej częstotliwości - w latencji i absolutnej okresu refrakcji na potencjał czynnościowy nerwu ogranicza maksymalną możliwą częstotliwość około 800 do 1000 Hz - mięśnie owadów z pośrednim umowy mięśni lotu automatycznie po są przeciążone. Ponieważ bardzo małe owady mogą wytwarzać siły powietrzne niezbędne do lotu tylko z odpowiednio wysokimi częstotliwościami machania skrzydłami, zawsze mają mięśnie pośredniego lotu. Wszyscy zdatni do lotu przedstawiciele bardziej oryginalnego, bezpośredniego typu mają określony minimalny rozmiar.
Mięśnie lotu pośredniego
Nazwa wzięła się stąd, że mięśnie nie przyczepiają się bezpośrednio do skrzydeł, ale siła mięśni jest przekazywana pośrednio na skrzydła poprzez elementy szkieletowe klatki piersiowej . Mięśnie odpowiedzialne za ruch w dół są ułożone wzdłuż klatki piersiowej (mięśnie podłużne), mięśnie odpowiedzialne za ruch w górę od „grzbietu” klatki piersiowej do jej „brzucha” (mięśnie grzbietowo-brzuszne). Deformacje szkieletu klatki piersiowej przenoszą siłę mięśni na skrzydła.
Podczas lotu, potencjały czynnościowe z silnikowych neuronów obserwowane są w dość regularnych odstępach czasu , co prowadzi do uwalniania jonów wapnia z sarkoplazmatycznej w mięśniach lotów . Jednak stężenie wapnia w cytoplazmie komórek mięśniowych (mioplazma) nie jest wyzwalaczem skurczów w tym konkretnym typie mięśni. Skurcz komórki mięśniowej jest wywoływany przez jej ekspansję, do której dochodzi podczas operacji lotniczych przez jej antagonistę . Obecność pewnego mioplazmatycznego stężenia wapnia jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym do skurczu mięśni lotu pośredniego. Jednak w układzie spoczynkowym pierwszy skurcz mięśni może być wywołany przez początkowe uwolnienie wapnia, które jest spowodowane potencjałem czynnościowym neuronu ruchowego.
System jest zatrzymywany przez brak potencjałów czynnościowych neuronów ruchowych , ponieważ stężenie wapnia w mioplazmie spada tak gwałtownie przez absorpcję jonów, że skurcze nie mogą już występować.
Skurcze komórek mięśniowych przebiegają inaczej niż zwykle w przypadku komórek mięśniowych, ponieważ głowy miozyny pochylają się z powodu zmiany konformacji, ale nie odrywają się od aktyny , aby rozpocząć od nowa na kolejnym segmencie aktyny („przekładnia biologiczna” mięśnie). Dlatego skrócenie mięśnia lotu jest niezwykle małe i musi zostać przeniesione na skrzydło za pomocą mechanicznego przełożenia . Przekład ten uzyskuje się między innymi za pomocą łańcucha jednoramiennych dźwigni, w których siła przenoszona jest z przedniej części grzbietu klatki piersiowej, scutum, na tylną część grzbietu (scutellum) w celu ponownie przesuń się do przodu za pomocą dźwigni tergal po obu stronach tarczki, aby doprowadzić do stawów skrzydeł.
Dzięki temu mechanizmowi, w którym oba skrzydła mogą być tylko otwierane lub trzepotane jednocześnie, mucha nie ma możliwości generowania sił napędowych, które muszą być różne po obu stronach podczas skręcania, o odmiennej częstotliwości trzepotania. Zamiast tego może zmieniać amplitudę trzepotania skrzydła i kąt natarcia skrzydła osobno po obu stronach. Osiąga się to dzięki bardzo skomplikowanej konstrukcji stawu skrzydłowego i serii cienkich mięśni regulujących, które mogą odpowiednio dostosować staw.
Częstotliwość uderzeń skrzydeł owadów z mięśniami wykonującymi lot pośredni jest determinowana przez siły powietrza i siły bezwładności, które przeciwdziałają skurczowi mięśni. Mięśnie latające kurczą się całkowicie lub wcale z powodu skurczu wywołanego rozciąganiem. Jednak, gdy zmienia się amplituda klapy lub położenie skrzydła, które są wykorzystywane do sterowania lotem, zmienia się opór powietrza na skrzydle, które przeciwstawia się sile skurczu. To z kolei zmienia częstotliwość trzepotania skrzydeł owada. W eksperymencie można zaobserwować zależność częstotliwości trzepotania od właściwości mechanicznych całego układu, który można rozumieć jako układ rezonansowy, poprzez skrócenie much unieruchomionych w klatce piersiowej lub dociążenie skrzydła woskiem.
Kontrola nad mięśniami latającymi może być niezwykle prymitywna i być powiązana z raportowaniem kontaktu stępu nóg owada z ziemią (tak jak w przypadku muchy). Na początek mucha po prostu zeskakuje z ziemi, żadna z nóg nie zgłasza żadnego kontaktu z ziemią i wtedy rozpoczyna się mięsień lotu.
Podczas lądowania jedna lub więcej nóg zgłasza kontakt z ziemią i mięśnie skrzydeł zostają zatrzymane. Jeśli mucha przytwierdzi się do klatki piersiowej bez dotykania odnóżami ziemi, jej skrzydła często trzepoczą przez długi czas.
Mięśnie lotu pośredniego much i innych owadów są jedną z tkanek o największym wydatku energetycznym. Obrazy z mikroskopu elektronowego pokazują ekstremalną gęstość mitochondriów , które służą jako " elektrownie energetyczne " dla wszystkich komórek . Ze względu na ogromną ilość ciepła odpadowego wytwarzanego podczas lotu, wymagany jest wydajny system chłodzenia. Pszczoły i zapewne także muchy wykorzystują tu bardzo wydajne chłodzenie ewaporacyjne – tak jak ssaki . Owady pompują do głowy hemolimfę rozgrzaną przez mięśnie lotne klatki piersiowej i wyduszają kroplę płynu, która wypływa z tułowia, a następnie wyparowuje. W muchach przyczepionych do górnej części tułowia kroplę tę można po pewnym czasie bardzo ładnie zaobserwować. Skłonność owadów do latania jest znacznie zmniejszona, gdy wilgotność powietrza jest wysoka.
Mięśnie w locie bezpośrednim
W przypadku bardziej prymitywnych owadów, takich jak ważki, występuje napęd bezpośredni (w przeciwieństwie do innych owadów latających). Skrzydła są tutaj bezpośrednio połączone z antagonistycznymi mięśniami. Kontrola ruchu w bezpośrednim podejściu do skrzydeł jest analogiczna do kontroli mięśni szkieletowych u kręgowców (np. zginaczy/prostowników w mięśniach ramion). Skurcze są wyzwalane bezpośrednio przez układ nerwowy poprzez potencjały czynnościowe neuronów ruchowych. Podobnie jak w przypadku ruchów chodu, w ośrodkowym układzie nerwowym takich owadów istnieją pewne połączenia nerwowe, które są również nazywane generatorami wzorców i które generują skurcze mięśni latających jako sekwencje potencjału czynnościowego. Napęd z mięśniami bezpośredniego lotu pozwala na niezależne poruszanie się czterech skrzydeł. To sprawia, że ważki są niezwykle zwinnymi lotnikami, co pozwala im łapać zdobycz w powietrzu.
Znaczenie lepkości
W zależności od wielkości i prędkości lotu lepkość powietrza ma dla owada różne znaczenie. Te trzy wielkości można łączyć, tworząc liczbę Reynoldsa , która wskazuje stosunek sił bezwładności do sił lepkości.
Siły lepkości są szczególnie dominujące w przypadku małych owadów, dla których powietrze jest tak twarde jak woda ze względu na swoją wielkość i prędkość lotu (patrz także linki do stron internetowych: „Gdy powietrze staje się lepkie” ). Dlatego nie masz skrzydeł aerodynamicznych, ale z. T. tylko szczotkopodobne generatory oporności, takie jak włosie lub skrzydełka z frędzlami .
Większe lub szybsze owady latające zwykle mają skrzydła z przezroczystej skóry. Tylną parę można zredukować do tak zwanych kołyszących się bulw, które obracają się tylko w kierunku skrzydeł, aby zrównoważyć masy i są używane jako instrument żyroskopowy (u muchówek, takich jak komary i muchy).
W przypadku much ruch skrzydła w dół odbywa się od góry do tyłu do dołu z przodu z poziomą pozycją skrzydła. Dzięki temu opór powietrza jest maksymalny w kierunku pionowym i minimalny w kierunku poziomym. Zapewnia to wysoki poziom nośności i minimalną siłę pleców. Kiedy skrzydło jest w ruchu do góry, skrzydło jest przesuwane od dolnego przodu do górnego tyłu ze skrzydłem ustawionym pionowo. Skutkuje to minimalnym oporem powietrza w kierunku pionowym i odpowiednio małą siłą docisku, jak również maksymalnym oporem w kierunku poziomym i odpowiednio maksymalnym napędem. Taki podział zadań antagonistycznych grup mięśniowych na siłę nośną i napędową skutkuje przybliżoną równowagą sił, co ma niebagatelne znaczenie dla wzajemnego skurczu antagonistów w mięśniach lotu pośredniego poprzez rozciąganie.
Z przedniej pary skrzydeł można też uformować zrogowaciałe skrzydło osłonowe, które jako skrzydło stałe generuje siłę nośną w locie, podczas gdy większa, przypominająca skórę, tylna para skrzydeł odpowiada za napęd (np. Coleoptera, chrząszcz ).
Ale jest też wiele gatunków, u których obie pary skrzydeł są w pełni rozwinięte. Skrzydła ważki ważek (Anisoptera) uważane są za arcydzieło natury. Na każdym z czterech skrzydeł, za pomocą kształtu tchawicy i membran w przepływie powietrza, tworzony jest niskooporowy profil laminarny (tj. profil skrzydła z dużą rezerwą grubości) za pomocą wbudowanych rolek wiroprądowych , które mogą być używany do szybowania, stacjonarnego lotu trzepoczącego i lotu z dużą prędkością. Osadzone w skrzydłach zbiorniki ozdobne (pteristigmata) umożliwiają dodatkową kontrolę. Chociaż skrzydło stanowi zaledwie 2 procent całkowitej masy ważki, zapewnia niezrównaną stabilność i doskonałe właściwości lotne, a jednocześnie stanowi ponad 50 procent powierzchni zwierzęcia. Ten stosunek masy skrzydła i powierzchni do masy całkowitej nie ma sobie równych w całym ludzkim lotnictwie, ale w lotach wykorzystywane są również inne mechanizmy.
Mniejsze owady zwykle wykorzystują technologię wiru krawędzi natarcia, aby uzyskać siłę nośną w trzepoczącym locie . W górę i w dół jego ostrej krawędzi natarcia skrzydła tworzy wir wzdłuż tej krawędzi, który może być używany bezpośrednio do podnoszenia, ponieważ tylna część powstałego cylindra wirowego zasysa skrzydło w górę podczas ruchu w dół i popycha skrzydło w górę kiedy jest na górze. Wyjaśnia to doskonałą charakterystykę lotu motyli (Lepidoptera), z których niektóre mogą w swoim życiu wykonać kilka lotów międzykontynentalnych do 4000 km w trzepoczącym locie , na przykład motyl monarcha .
literatura
- Nachtigall, Werner: Lot owadów . Springer Berlin, 2003, ISBN 354000047X
- Nachtigall, Werner i Rolf Nagel: W królestwie tysięcznej sekundy fascynacja lotem owadów . Gerstenberg, 1988, ISBN 3806720436
- Hagemann & Steininger (red.): Wszystko, co lata – w przyrodzie, technologii i sztuce . Mała seria Senckenberg nr 23, 1996, ISBN 3-7829-1143-1
linki internetowe
- „Kiedy powietrze staje się lepkie” (PDF) (134 kB)
- Flutter dla nauki - badania bioniczne na owadach (PDF; 305 kB) . Autor: Dörte Ostersehlt In: Lekcje z biologii 332 2008. s. 22 do 27
- Księga Rekordów Owadów Uniwersytetu Florydy. Zbieranie zmierzonych prędkości lotu różnych owadów.
- „Zdjęcia owadów w locie”
Indywidualne dowody
- ^ Carsten Brauckmann, Brigitte Brauckmann, Elke Gröning: Pozycja stratygraficzna najstarszej znanej Pterygoty (owad. Karbon, Namur). W: Annales de la Société Géologique de Belgique. 117 (Hommage à Maurice Streel) Fascicule 1, 1994, s. 47-56.
- ↑ Studenci biologii. Bibliographisches Institut & FA Brockhaus AG, Monachium 2009. str. 192f.
- ^ CW Scherer: Księga Rekordów Owadów, Univ. Floryda, przylądek. 9, 1995
- ↑ Konrad Dettner, Werner Peters: Podręcznik entomologii . Wydanie II. Elsevier, Monachium, ISBN 3-8274-1102-5 , s. 249 .