Let hmyzu - biológia
The Let hmyzu je najstaršou formou leteckej dopravy a zahŕňa rôzne letové techniky. Mávajúci let vtákov nie je nijako zásadne odlišný, pokiaľ ide o sily zdvihu a pohon, ktoré sú rozhodujúce pre let: krídla hore a dole slúžia ako krídla aj ako pohon, ich nábežné hrany sú vystužené, zatiaľ čo zvyšok časti zostáva elastický. Kvôli menšej priemernej veľkosti lietajúceho hmyzu je však frekvencia mávanie krídlami oveľa vyššia v porovnaní s frekvenciou stavovcov. [1]
Krídla hmyzu sú krídla vyrobené z chitínu, ktoré historicky pochádzajú z výbežkov na koži. Lietajúci hmyz je druhovo najbohatšou skupinou v celej živočíšnej ríši a väčšina druhov má dva páry krídel. Štvorkrídlová konštrukcia bráni lietaniu, takže existuje vývojová tendencia k dvojkrídlovým štruktúram. [1]
Lietanie pri nízkych a stredných Reynoldsových číslach
V závislosti od veľkosti hmyzu a jeho rýchlosti letu je vzduch pre hmyz rôzne „tuhý“. Obzvlášť malý hmyz preto „pláva“ vo vzduchu, ktorý je pre jeho veľkosť a rýchlosť letu tvrdý ako voda (pozri Reynoldsovo číslo alebo „Keď sa vzduch stane lepkavým“). Nemajú preto žiadne aerodynamické krídlo, ale iba generátory odporu podobné kefke, ako sú štetiny alebo strapcové krídla.
Väčší alebo rýchlejší lietajúci hmyz zvyčajne používa priehľadné krídla kože. Z toho je možné zadný pár zredukovať na takzvané „kyvné žiarovky“, ktoré sa iba otáčajú proti krídlam, aby vyvážili hmoty, a používajú sa ako gyroskopický nástroj (v dipterách, ako sú komáre a muchy)
Pri muchách sa dolný ťah krídla uskutočňuje zhora zozadu dole spredu s vodorovnou polohou krídla. Vďaka tomu je odpor vzduchu maximálny vo vertikálnom smere a minimálny v horizontálnom smere. To vytvára vysokú úroveň zdvihu a minimálne množstvo zadnej sily. Keď je krídlo zdvihnuté, krídlo sa posunie z dolnej prednej časti do hornej zadnej časti s krídlom umiestneným zvisle. Výsledkom je minimálny odpor vzduchu vo vertikálnom smere a zodpovedajúcim spôsobom nízky prítlak, ako aj maximálny odpor vo vodorovnom smere a zodpovedajúci maximálny pohon. Toto rozdelenie úloh antagonistických svalových skupín na zdvíhanie a pohon vedie k približnej rovnováhe síl, ktorá má značný význam pre vzájomné kontrakcie antagonistov v svaloch nepriameho letu napínaním.
Z predného páru krídel môže byť vytvorené nadržané krycie krídlo, ktoré ako pevné krídlo generuje vztlak počas letu, zatiaľ čo väčší dvojica kožných zadných krídel je zodpovedná za pohon (napr. Coleoptera, chrobák).
Existuje ale aj veľa druhov, v ktorých sú oba páry krídel úplne vyvinuté. Vážkové krídlo vážky (Anisoptera) je považované za majstrovské dielo prírody. Na každom zo štyroch krídel je pomocou tvaru priedušnice a membrán v prúdení vzduchu vytvorený nízkoodporový laminárny profil (t. J. Profil krídla s vysokou rezervou hrúbky) vloženými valčekmi na vírivý prúd, ktoré je možné použiť na kĺzanie, stacionárny let s príklonom a rýchly let. Orezávacie nádrže, ktoré sú zaliate v krídlach (pteristigmata), umožňujú ďalšiu kontrolu. Aj keď krídlo tvorí iba 2% z celkovej hmotnosti vážky, umožňuje bezkonkurenčnú stabilitu a vynikajúce letové vlastnosti, pričom tvorí viac ako 50% povrchu zvieraťa. Tento pomer hmotnosti krídla a plochy povrchu k celkovej hmotnosti nemá vo všetkom ľudskom letectve obdoby.
Menší hmyz zvyčajne používa technológiu „vírivej špičky“ na získanie vztlaku pri mávnutí letu. Horná a dolná časť ich ostrohrannej prednej hrany krídla vytvára vír pozdĺž tejto hrany, ktorý sa dá použiť priamo na zdvihnutie, v ktorom zadná časť tohto výsledného vírivého valca nasáva krídlo nahor pri dolnom zdvihu a tlačí krídlo nahor pri hornom zdvihu. To vysvetľuje vynikajúce letové vlastnosti motýľov (Lepidoptera), z ktorých niektoré môžu absolvovať niekoľko medzikontinentálnych letov v trvaní až 4 000 km v priebehu letu, napríklad motýľ monarcha.
Letové svaly
Krídla sa pohybujú buď nepriamymi, alebo priamymi letovými svalmi. Priamy „pohon“ sa považuje za originál.
Hodnoty od 0 (vážka v kĺzavom lete) do 1046 Hz pre malé komáre (rod Forcipomyia, Ceratopogonidae) [2]. Pretože je však nemožné, aby bol sval ovládaný na tejto frekvencii priamymi nervovými impulzmi, pretože latencia a absolútna refraktérna doba akčného potenciálu nervu obmedzuje maximálnu možnú frekvenciu na približne 800 až 1 000 Hz, svaly hmyzu s nepriamymi letovými svalmi sa sťahujú nezávisle Predĺženie. Pretože veľmi malý hmyz dokáže generovať vzdušné sily potrebné na let so zodpovedajúcimi vysokými frekvenciami mávania krídlami, má vždy nepriame letové svaly. Letiaci zástupcovia pôvodnejšieho, priameho typu majú všetci určitú minimálnu veľkosť (kobylky, vážky).
Nepriame letové svaly
Názov pochádza zo skutočnosti, že svaly sa nepripojia priamo k krídlam, ale svalová sila sa na krídla prenáša nepriamo prostredníctvom kostrových prvkov hrudníka. Svaly zodpovedné za stlačenie krídel sú usporiadané pozdĺž hrudníka (pozdĺžne svaly), svaly zodpovedné za zdvih krídiel ťahajú zo „zadnej časti“ hrudníka do jeho „žalúdka“ (chrbtové svaly). Deformácie hrudnej kostry prenášajú svalovú silu na krídla.
Počas letu sú v pomerne pravidelných intervaloch pozorované akčné potenciály motorických neurónov, ktoré vedú k uvoľňovaniu iónov vápnika zo sarkoplazmatického retikula v letových svaloch. Koncentrácia vápnika v cytoplazme svalových buniek (myoplazma) však nie je spúšťačom kontrakcií v tomto špecifickom svalovom type. Kontrakciu svalovej bunky vyvoláva jej expanzia, ku ktorej dochádza počas letových operácií jej antagonistom. Prítomnosť určitej myoplazmatickej koncentrácie vápnika je nevyhnutnou, ale nie dostatočnou podmienkou kontrakcie svalov nepriameho letu. V kľudovom systéme však môže byť prvá svalová kontrakcia vyvolaná počiatočným uvoľňovaním vápnika, ktoré je spôsobené akčným potenciálom motorického neurónu.
Systém je zastavený nedostatkom akčných potenciálov motorických neurónov, pretože koncentrácia vápnika v myoplazme potom absorpciou iónov klesá tak prudko, že už nemôže dôjsť ku kontrakciám.
Kontrakcie svalových buniek prebiehajú inak ako obvykle pri svalových bunkách, pretože myozínové hlavy sa ohýbajú v dôsledku zmeny konformácie, ale neodpojujú sa od aktínu, aby mohli začať odznova od ďalšieho aktínového segmentu („biologického výstroja“ svalov). Skrátenie letového svalu je preto extrémne malé a musí sa preniesť na krídlo mechanickým prekladom. Tento preklad je dosiahnutý okrem iného reťazou jednoramenných pák, v ktorých sa sila prenáša z prednej časti zadnej časti hrudníka, scutu, na zadnú časť chrbta (scutellum) a odtiaľ opäť spredu tergálnymi páčkami pripevnenými k scutellum na oboch stranách. priviesť ku kĺbom krídel.
Kvôli tomuto mechanizmu, pri ktorom je možné obe krídla otvárať alebo mávať súčasne, muška nemá možnosť generovať hnacie sily, ktoré musia byť pri otáčaní na oboch stranách odlišné, inou frekvenciou mávania. Namiesto toho môže meniť amplitúdu mávania krídlami a uhol nárazu krídla zvlášť na oboch stranách. Toto je dosiahnuté vďaka vysoko komplikovanej konštrukcii krídlového kĺbu a množstvu tenkých nastavovacích svalov, ktoré dokážu kĺb primerane upraviť.
Frekvencia úderov krídel hmyzu s nepriamymi letovými svalmi je určená silami zotrvačnosti vzduchu a hmoty, ktoré pôsobia proti kontrakcii svalov. Letové svaly sa sťahom vyvolaným natiahnutím buď stiahnu úplne alebo vôbec. Keď sa však zmení amplitúda krídla krídla alebo poloha krídla, ktoré sa používajú na riadenie letu, zmení sa odpor vzduchu na krídle, ktoré je proti kontrakčnej sile. To potom zmení frekvenciu úderov krídla hmyzu. Pri experimente s muchami fixovanými v hrudníku možno závislosť frekvencie mávanie na mechanických vlastnostiach celého systému, ktorú možno chápať ako rezonančný systém, pozorovať skrátením krídla alebo zvážením krídla voskom.
Ovládanie letových svalov môže byť mimoriadne primitívne a súvisí s hlásením pozemného kontaktu tarsiho nôh hmyzu (ako v prípade mušky). Ak chcete začať, muška jednoducho skočí zo zeme, žiadna z nôh nehlási žiadny kontakt so zemou a potom sa naštartuje letový sval.
Pri pristávaní hlási jedna alebo viac nôh kontakt so zemou a svaly krídla sú zastavené. Ak je mucha pripevnená k hrudníku bez toho, aby sa jej nohy dotýkali zeme, krídla mu často dlho mávajú.
Nepriame letové svaly múch a iného hmyzu sú jedným z tkanív, ktoré majú najvyšší energetický výdaj. Snímky elektrónového mikroskopu ukazujú extrémnu hustotu mitochondrií, ktoré slúžia ako „energetické elektrárne“ pre všetky články. Kvôli enormnému množstvu odpadového tepla produkovaného počas letu je potrebný efektívny chladiaci systém. Včely a pravdepodobne aj muchy tu používajú veľmi efektívne odparovacie chladenie - rovnako ako cicavce. Hmyz pumpuje hemolymfu zahriatu letovými svalmi v hrudníku do hlavy a tlmí kvapku tekutiny, ktorá vyteká z kmeňa a potom sa odparí. U múch, ktoré sú pripevnené k hornej strane hrudníka, je možné tento pokles po chvíli veľmi pekne pozorovať. Tendencia hmyzu k lietaniu je pri vysokej vlhkosti vzduchu výrazne znížená.
Priame letové svaly
Priamy pohon sa nachádza u primitívnejšieho hmyzu, ako sú vážky a podenky. Krídla sú tu priamo spojené s antagonistickými svalmi. Kontrola pohybu v priamom priblížení ku krídlam je analogická s kontrolou kostrových svalov stavovcov (napr. Flexory/extenzory vo svaloch paží). Kontrakcie sú spúšťané priamo nervovým systémom prostredníctvom akčných potenciálov motorických neurónov. Rovnako ako pri pohyboch pri chôdzi, aj v takomto hmyze existujú v centrálnom nervovom systéme určité nervové spojenia, ktoré sa tiež nazývajú generátory vzorov a ktoré vytvárajú kontrakčné správanie letových svalov ako sekvencie akčného potenciálu.
Techniky vzdušného boja
Posledné štúdie letu vážok ukázali, že vážky sú schopné udržiavať svoju pozíciu konštantnú vzhľadom na hlavu a zložité oko hmyzu, na ktorý chcú zaútočiť. Výsledkom je, že pozícia blížiacej sa vážky v očiach jej obete zostáva konštantná, útočiacu vážku si nevšimneme. Ďalej vážky bojujú medzi sebou s vystuženými nábežnými hranami krídel, aby mali lepšie šance na reprodukciu zahnaním konkurencie.