Przystosowanie ptaków do lotu w budowie i funkcji

Ptaki to gromada stałocieplnych kręgowców o ciele pokrytym piórami, przednich kończynach przekształconych w skrzydła i szczękach okrytych rogowym dziobem, u współczesnych przedstawicieli pozbawionym zębów. Ptaki są zazwyczaj zdolne do lotu, choć niektóre gatunki są wtórnie nielotne. Systematyka do dziś nie jest ustalona, lecz w większości opiera się na podziale wg Wetmore'a z 1960. Według tego podziału gromada ta obejmuje przeszło 9 tysięcy żyjących obecnie gatunków podzielonych na 28 rzędów i 171 rodzin. Żadna inna gromada kręgowców nie dysponuje tak obszernym zasięgiem. Od bieguna północnego do Antarktyki gdzie gniazdują pingwiny. Żyją one w Himalajach na wysokości ponad 7000 m, w najbardziej suchych okręgach pustyni Gobi i Sahary. Można je zaobserwować na wyspach oceanicznych, gdzie brak innych kręgowców, a także w centralnym basenie podczas nocy arktycznej. Krotko mówiąc wszędzie tam, gdzie znajdują się chociażby minimalne warunki do życia.
Naukowcy mają nie lada problem z rozstrzygnięciem sprawy pochodzenia lotu u ptaków. Każde przystosowanie pojawia się po to, by ułatwić życie, więc korzyści z jego pojawienia się muszą być większe niż poniesione przez organizm koszty. Ptaki mają dwa aparaty lokomotoryczne, mogą chodzić po ziemi i latać. I oba te aparaty dźwigają cały czas. Przecież to jest ogromny wydatek energii. A co go rekompensuje? Bezpieczeństwo.
Dzięki zdolności lotu może przodkowie ptaków mogli sprawnie uciekać przed drapieżnikami. Od końca XIX wieku trwa spór o to, jak powstał ptasi lot. Jedni twierdzili, że przodkowie ptaków prowadzili nadrzewny tryb życia i skakali z gałęzi, coraz dalej i dalej, i wreszcie mogli zacząć latać. Do dzisiaj żyją jaszczurki czy wiewiórki latające, które potrafią zeskakiwać z wysokich konarów i szybować. Przeciwnicy tej hipotezy wyobrażali sobie, że praptaki chodziły po ziemi, trochę podbiegały, zaczynały podskakiwać, wzbijać się w górę - opowiada profesor i zaraz wylicza trudności. Żeby wzlecieć, trzeba osiągnąć minimalną prędkość, dzięki której powstaje różnica ciśnień między górną a dolną powierzchnią skrzydła. Wyliczono, że np. archeopteryks nie mógł biegać szybciej niż dwa metry na sekundę. A do poderwania się do lotu potrzeba sześciu... Współczesne ptaki w porównaniu z praprzodkami są już doskonalsze. Ot, choćby mewy, które potrafią wzbijać się do lotu pod wiatr bez żadnego "rozbiegu". Albo kolibry, którym opłaca się zawisnąć w jednym punkcie na wprost rozwiniętego kwiatu. Dawnym ptakom ani w głowie były takie fanaberie. Ich lot był mało sterowny, zaczynał się ze "skoczni", a kończył trudnym manewrem lądowania. O kościach pneumatycznych, które wypełnione są wypustkami worków powietrznych i redukują ciężar szkieletu, nawet nie marzyły...
Ptaki wytworzyły w swej budowie szereg przystosowań, umożliwiających im lot:
a) Opływowy kształt ciała - mniej lub więcej wrzecionowaty tułów i rogowy dziób zmniejszają opór powietrza.
b) Układ kostny ptaków jest przystosowany do lotu:
- Szkielet odznacza się lekkością kości, a także wytrzymałością, zarówno samych kości jak i ich wzajemnych połączeń. Wytrzymałość i lekkość wynika z ich pneumatyczności, czyli tego że zawierają jamy szpikowe wypełnione powietrzem (według praw mechaniki rura jest wytrzymalsza od belki mającej ten sam promień).
- .Mostek ma dużą powierzchnię, służy bowiem jako miejsce przyczepu mięśni napędzających skrzydła.
- Czaszka łączy się z kręgosłupem tylko jednym kłykciem potylicznym, dzięki czemu ptaki mogą wykonywać dowolne ruchy głową. Inną właściwością czaszki ptaków jest znaczne wydłużenie ku przodowi kości szczękowych i międzyszczękowych, które zrastając się tworzą kości dziób. Czaszka wykazuje ściślejsze niż u gadów połączenia kości oraz charakteryzuje się prawie zupełnym zanikiem szwów, co jest kolejnym przystosowaniem do lotu.
- Ptaki posiadają stosunkowo małą i lekką głowę pozbawioną uzębienia (jego rolę spełnia u niektórych ptaków żołądek żujący) co daje dobre wyważenie w locie.
- Kolejnym przystosowaniem szkieletu do lotu jest budowa obręczy barkowej. Jest ona całkowicie skostniała i składa się z trzech kości: kruczej łopatki i obojczyka. Ogromne znaczenie ma potężna kość krucza, która jednym swym końcem zrasta się ruchomo z mostkiem, drugim zaś tworzy oparcie dla ramienia. Dodatkowo obojczyki zrastają się w dolnych częściach tworząc rodzaj widełek (zwanych furculą), które przeciwdziałają zbliżeniu się do siebie kości kruczych. W rezultacie cały ten mocny pas daje doskonale oparcie skrzydłom i ich silnym mięśniom.
- Przednie kończyny uległy przekształceniu w skrzydło. Nadgarstek został zredukowany, oraz pozostały tylko trzy palce ( palec I odpowiadający palcowi II typowej kończyny pięciopalczastej, palec II opowiadający III i palec III dopowiadający IV). Ponadto, co ma największy wpływ na możliwość lotu, wszystkie kości kończyny przedniej u ptaków łącza się tak, ze mogą się poruszać tylko w jednym kierunku, a mianowicie w płaszczyźnie skrzydła, składając je lub otwierając. Dzięki temu przy wymachiwaniu skrzydłami poruszają się one jakby jedna całość i dlatego mają dużą statyczność podczas lotu.
- Ponadto istotne są również modyfikacje kończyn tylnych, które uległy wydłużeniu, a ich prawie cała masa (czyli duże mięśnie i grube kości) skupiła się w górnych partiach kończyn, co ułatwia niezmiernie moment startu, a dokładniej moment oderwania się od ziemi. U niektórych ptaków, które muszą wzbijać się w powietrze z biegu, dłuższe nogi umożliwiły szybsze osiągnięcie prędkości koniecznej do startu. Warto również wspomnieć, że kości stopy zrosły się w jedna kość, zwaną skokiem, która pełni ważną rolę w amortyzacji podczas lądowania.
- Usztywniony kręgosłup, kręgi które na niektórych odcinkach zrastają się tworząc synsakrum (kość powstała ze zrośnięcia kręgów lędźwiowych i krzyżowych, niekiedy także dodatkowo kilku kręgów piersiowych i ogonowych; sysakrum zrasta się z kośćmi biodrowymi miednicy) i pygostyl (kość ogonowa ptaka powstała ze zrośnięcia kilku ostatnich kręgów.)
c) Układ mięśniowy:
- Ptaki wykształciły też silny układ mięśniowy, by móc poruszać skrzydłami. Większość mięśni u ptaka zlokalizowanych jest na tułowiu. Na szczególną uwagę zasługują ogromne mięśnie piersiowe, których ciężar dochodzi do ok. 20%-30% masy ciała ptaka. Są one przyczepione do grzebienia mostka i służą do opuszczania skrzydeł, natomiast swoiste mięśnie podobojczykowe, położone również na mostku, ale pod mięśniami piersiowymi, służą do podnoszenia skrzydeł.
d) Układ oddechowy:
- Obecność worków powietrznych, które odgrywają rolę pomocniczą w procesie oddychania (tzw. mechanizm podwójnego oddychania) i są zbiornikami powietrza zapasowego, głównie w trakcie lotu. (W czasie spoczynku sposób oddychania odbywa się podobnie jak u większości kręgowców- poprzez rozszerzanie i zwężanie się klatki piersiowej ( co następuje dzięki przybliżaniu i oddalaniu mostka od kręgosłupa), ale w czasie samego lotu, ze względu na pracę mięśni piersiowych, jest to niemożliwe, więc odbywa się za pomocą worków powietrznych. Dzieje się tak, gdyż przy każdym wzniesieniu skrzydeł worki mechanicznie się rozciągają i napełniają idącym przez płuca powietrzem, natomiast przy opuszczaniu skrzydeł zwężają się i powietrze, także poprzez płuca, uchodzi na zewnątrz. W samych workach nie dochodzi do natlenienia krwi, ale ponieważ ich objętość przewyższa objętość płuc, tylko część tlenu powietrza wchodzącego do worków zostaje wykorzystana, więc przy powrotnym przechodzeniu prze płuca, wciąż bogate w tlen powietrze, zostaje ponownie wykorzystane. Proces ten nosi nazwę podwójnego oddychania. Dzięki temu im silniej ptak macha skrzydłami, tym intensywniej oddycha, co wzmaga jego wytrzymałość.)
e) Układ wydalniczy:
- Ptaki nie mają pęcherza moczowego (wyjątek : strusie). Dzięki temu mocz, składający się głównie z kwasu moczowego nie zatrzymuje się w organizmie, co wpływa na zmniejszenie ciężaru ciała (lepsze wyważenie w locie), a także na ekonomiczne wykorzystanie wody, gdyż z każdej nerki odchodzi moczowód do środkowego odcinka kloaki, gdzie następuje ponowne jej wchłonięcie. Ma to również znaczenie gdyż przy tak wysokiej temperaturze ciała każda kropla wody jest istotna.
f) Układ nerwowy:
- Dobrze rozwinięty móżdżek jest ściśle związany ze zdolnością lotu i sprawnością koordynacyjną ruchów.
g) Skrzydła i pióra :
- Dobrze rozwinięte skrzydła tworzące profil lotniczy wysklepiony ku górze (między innymi dzięki pod- i nadlotkom) przez co powietrze przepływa nad skrzydłem z większą prędkością i wytwarza tym samym zasysające podciśnienie, analogicznie jak w samolocie (prawo ciągłości i Bernoulliego). Ruch skrzydła podczas lotu to nie proste machanie w górę i dół- skrzydło kreśli w powietrzu figurę podobną do ósemki. Lotki drugiego rzędu wyrastające z „przedramienia” utrzymują ptaka w powietrzu, wytwarzające siłę nośną. Sprzyja temu zakrzywiony profilowi skrzydła. U ptaków skrzydłem jest przekształcona pierwsza para kończyn. Na skrzydło ptaka składa się: kość ramieniowa (humerus), dwie zrośnięte ze sobą kości przedramienia (kość łokciowa (ulna) i kość promieniowa (radius), dwu kostek powstałych ze zrośnięcia kości pierwszego szeregu nadgarstka oraz kości nadgarstkowo-dłoniowej (carpus-metacarpus). Kość nadgarstkowo-dłoniowa składa się z kolei z dwu wydłużonych i zrośniętych ze sobą, na obu końcach, kości nadgarstka, tworząc tzw. trzy palce z czego środkowy jest dwuczłonowy, a pozostałe dwa skrajne, są jednoczłonowe. Pióra pokrywające skrzydła i stanowiące istotną część organu lotu ptaka charakteryzują się zróżnicowaniem pod względem wielkości i kształtu. Podstawę skrzydła tworzą lotki. Tak zwane lotki pierwszego rzędu osadzone są wzdłuż kości dłoni; lotki drugiego rzędu osadzone są wzdłuż kości przedramienia. Kilka piór osadzonych na pierwszym palcu nosi nazwę skrzydełka. Z wierzchu lotki przykryte są tak zwanymi piórami pokrywowymi (nadlotki), które różnią się między sobą wielkością (wielkie, średnie i małe). Od spodu skrzydła pokrywom skrzydłowym odpowiadają pokrywy podskrzydłowe. Lotki są u ptaków latających najdłuższe i najbardziej sztywne ze wszystkich piór. Również sztywne i wydłużone są pióra ogonowe, czyli sterówki.
- Rozwój zróżnicowanego i złożonego upierzenia umożliwiającego plastyczność ruchów podczas lotu.:
Ciało ptaka pokrywają pióra, będące tworami nabłonkowymi, podobnie jak łuski u gadów. Wyrastają z brodawek skórnych zbudowanych z komórek mezodermalnych, w których formują się najpierw pióra puchowe (embrionalne), a następnie pióra ostateczne (penna). Pióra zachodzą na siebie dachówkowato. U ptaków wyróżniamy kilka rodzajów piór. Nie wgłębiając się w ich budowę oraz szczegółowe funkcje, należy wymienić lotki, czyli duże pióra rosnące na tylnym brzegu skrzydła. Dzielimy je na lotki I rzędu, czyli lotki osadzone na dłoni i lotki II rzędu osadzone na przedramieniu. Na szczątkowym palcu osadzone są jeszcze malutkie piórka o budowie typowej dla lotek- skrzydełka. Istotne w czasie lotu są również pióra ogonowe- sterówki, które pełnią rolę steru. Należy także zaznaczyć, iż pióra nie są równomiernie rozłożone, lecz tworzą się tylko w partiach skóry zwanych opierzkami, między którymi znajdują się bezpierzki. Takie grupowanie piór znacznie ułatwia kurczenie się mięsni podczas lotu. Ponadto całość piór, oprócz tego, że ułatwia utrzymanie stałej temperatury ciała, nadaje ciału ptaka opływowy kształt, co istotnie wpływa na możliwość lotu.
- Pióro składa się z osi pióra i chorągiewki. początkowy odcinek osi osadzony jest w skórze właściwej i tworzy dutkę , dalszy odcinek to stosina. Chorągiewka zbudowana jest z dwóch rzędów gałęzi, od których na boki odchodzą dwa rzędy promyków. Rząd dolny zaopatrzony jest w haczyki, rząd górny- w listewki. Listewki i haczyki promyków sąsiednich gałązek zachodzą na siebie tworząc lekką, zawartą i elastyczną strukturę chorągiewki.
h) Niektóre ptaki w toku ewolucji wtórnie utraciły zdolność lotu. Cechy, które wtedy mogą ulec uwstecznieniu to przede wszystkich: skrzydła, pióra asymetryczne, pneumatyczne kości i grzebień na mostku.