Rovarrepülés - biológia
A Rovarrepülés a legrégebbi légi mozgás, és különféle repülési technikákat tartalmaz. A repülés szempontjából meghatározó emelési és meghajtási erők tekintetében nincs alapvető különbség a madarak csapkodó repülésében: a felfelé és lefelé irányuló szárnyak szárnyként és meghajtásként egyaránt szolgálnak, vezető széleik megmerevednek, míg a többi rész rugalmas marad. A repülő rovarok kisebb átlagos mérete miatt szárnyaik csapkodási gyakorisága sokkal nagyobb, mint a gerinceseké. [1]
A rovarok szárnyai kitinből készült szárnyak, amelyek történelmileg a bőr kiemelkedéséből származnak. A repülő rovarok a leggazdagabb csoportok az egész állatvilágban, és a legtöbb fajnak két pár szárnya van. A négy szárnyú szerkezet akadályozza a repülést, ezért evolúciós tendencia figyelhető meg a két szárnyas szerkezetek felé. [1]
Repülés alacsony és közepes Reynolds-számokkal
A rovar méretétől és repülési sebességétől függően a rovar levegője "kemény". Különösen kicsi rovarok „úsznak” a levegőben, ami méretük és repülési sebességük miatt ugyanolyan kemény, mint a víz (lásd Reynolds-szám vagy „Amikor a levegő tapadóssá válik”). Ezért nincs aerodinamikai szárnyuk, csak kefe-szerű ellenállásgenerátorok vannak, mint például a sörték vagy a rojtos szárnyak.
A nagyobb vagy gyorsabban repülő rovarok általában átlátszó bőrszárnyakat használnak. Ebből bármelyik hátsó pár lecsökkenthető úgynevezett "lengő izzókra", amelyek csak a szárnyakkal szemben forognak a tömeg kiegyensúlyozása érdekében, és giroszkópos eszközként használják (olyan dipterákban, mint a szúnyogok és a legyek).
Legyekkel a szárny leengedése fentről hátulról lefelé, vízszintes szárny helyzetben történik. Ennek eredményeként a légellenállás maximális függőleges irányban és minimális vízszintes irányban. Ez magas szintű emelést és minimális hátsó erőt eredményez. Amikor a szárny felfelé ütközik, a szárnyat az alsó elülső részből a felső hátsó irányba kell mozgatni, függőlegesen. Ez minimális légellenállást eredményez függőleges irányban és ennek megfelelően alacsony leszorító erőt, valamint vízszintes maximális ellenállást és ennek megfelelően maximális meghajtást. Az antagonista izomcsoportok feladatainak emelésre és meghajtásra történő felosztása az erők hozzávetőleges egyensúlyát eredményezi, amely jelentős szerepet játszik az indirekt repülési izmok antagonistáinak kölcsönös összehúzódása során a nyújtás során.
Az elülső szárnypárból kialakulhat egy kanos fedőszárny, amely rögzített szárnyként emelést generál repülés közben, míg a nagyobb, bőrszerű hátsó szárnypár felelős a meghajtásért (pl. Coleoptera, bogár).
De számos olyan faj is létezik, amelyekben mindkét szárnypár teljesen kifejlett. A szitakötő (Anisoptera) szitakötő szárnyát a természet remekének tekintik. Mind a négy szárnyon a légcső és a légáramban lévő membránok alakjának segítségével egy alacsony ellenállású lamináris profilt (vagyis egy szárnyprofilt nagy vastagságú tartalékkal) alakítanak ki beágyazott örvényáramú görgők, amelyek használhatók csúszó, álló helyzetű csapkodó repüléshez és nagy sebességű repüléshez. A szárnyakba ágyazott tartályok (pteristigmata) további irányítást tesznek lehetővé. Noha a szárny csak a szitakötő össztömegének 2% -át teszi ki, páratlan stabilitást és kiváló repülési jellemzőket tesz lehetővé, miközben az állat felületének több mint 50% -át teszi ki. A szárny tömegének és felületének az össztömeghez viszonyított aránya az emberi repülés egészében páratlan.
A kisebb rovarok általában az "elülső örvény" technológiáját alkalmazzák, hogy megemelkedjenek a csapkodó repülés során. A szárny éles szélű előszéleik felfelé és lefelé örvényt hoznak létre ezen az él mentén, amelyet közvetlenül az emeléshez lehet használni, amelyben ennek a kialakuló örvényhengernek a hátsó része lefelé menet felszívja a szárnyat, és felfelé nyomja a szárnyat. Ez megmagyarázza a lepkék (Lepidoptera) kiváló repülési jellemzőit, amelyek közül néhány életük során több, akár 4000 km hosszú, interkontinentális repülést is képes lebonyolítani, például az uralkodó pillangó.
Repülési izmok
A szárnyakat vagy a közvetett, vagy a közvetlen repülési izmokkal mozgatják. A közvetlen "meghajtást" tekintik eredetinek.
Az értékek 0-tól (szitakötő sikló repülés közben) 1046 Hz-ig kis szúnyogok (nemzetség) esetében Forcipomyia, Ceratopogonidae) [2]. Mivel azonban lehetetlen, hogy az izmokat ezen a frekvencián közvetlen idegi impulzusok vezéreljék, mivel az ideg akciópotenciáljának látenciája és abszolút refrakter időszaka a maximális lehetséges frekvenciát 800 és 1000 Hz közé korlátozza, a közvetett repülési izmokkal rendelkező rovarok izmai önállóan összehúzódnak Túlhúzás. Mivel nagyon kicsi rovarok csak a repüléshez szükséges légierőket képesek létrehozni, ennek megfelelően magas szárnycsapkodási frekvenciákkal, mindig közvetett repülési izmaik vannak. Az eredetibb, közvetlen típus repülõképviselõinek van egy bizonyos minimális méretük (szöcskék, szitakötõk).
Közvetett repülési izmok
Az elnevezés onnan származik, hogy az izmok nem közvetlenül kapcsolódnak a szárnyakhoz, de az izmok ereje közvetett módon a mellkas vázelemein keresztül jut át a szárnyakra. A szárnyak lesüllyedéséért felelős izmok a mellkas mentén helyezkednek el (hosszanti izmok), a szárnyak felemelkedéséért felelős izmok a mellkas „hátuljától” a „gyomráig” (dorsoventralis izmok) húzódnak. A mellkasi csontváz deformációi átadják az izomerőt a szárnyaknak.
A repülés során a motoros idegsejtek akciópotenciálja meglehetősen szabályos időközönként figyelhető meg, ami kalciumionok felszabadulásához vezet a repülési izmokban a szarkoplazmatikus retikulumból. Az izomsejtek citoplazmájában (myoplazma) lévő kalciumkoncentráció azonban nem kiváltó oka az adott izomtípus összehúzódásának. Az izomsejt összehúzódását annak tágulása váltja ki, amely repülési műveletek során zajlik antagonistája által. Bizonyos myoplazmatikus kalciumkoncentráció jelenléte szükséges, de nem elegendő feltétel a közvetett repülési izmok összehúzódásához. A nyugalmi rendszerben azonban az első izomösszehúzódást kiválthatja a kalcium kezdeti felszabadulása, amelyet egy motoros neuron akciós potenciálja okoz.
A rendszert a motoros neuronok akciós potenciáljának hiánya állítja le, mivel a myoplazmában a kalciumkoncentráció az ionok abszorpciója révén olyan erősen csökken, hogy összehúzódások már nem fordulhatnak elő.
Az izomsejtek összehúzódásai az izomsejteknél megszokottól eltérően zajlanak, mivel a miozinfejek a konformáció megváltozása miatt meghajlanak, de nem válnak le az aktinról, hogy új aktinszegmensnél indulhassanak el (az izmok „biológiai hajtóműve”). Ezért a repülési izom rövidülése rendkívül kicsi, és azt mechanikus fordítással kell a szárnyra vinni. Ezt a fordítást többek között egykarú karok láncával érik el, amelyekben az erő a mellkas hátsó részének elülső részéből, a scutumból a hátsó hátsó részbe (scutellum), majd onnan ismét a frontba kerül át a két oldalon a scutellumhoz rögzített tergal karok révén. hogy a szárnyízületekhez hozzák.
Ennek a mechanizmusnak köszönhetően, amelyben mindkét szárny csak egyszerre nyitható vagy csapkodható, a légy nem képes más csapkodási frekvenciával létrehozni azokat a meghajtó erőket, amelyeknek a forduláskor mindkét oldalon másnak kell lenniük. Ehelyett mindkét oldalon külön megváltoztathatja a szárny csapkodásának amplitúdóját és a szárny támadási szögét. Ezt egy rendkívül bonyolult szárnyízület-konstrukcióval és számos vékonyan beállító izommal lehet elérni, amelyek megfelelően beállíthatják az ízületet.
A közvetett repülési izmokkal rendelkező rovarok szárnyverési gyakoriságát az izom összehúzódásával szemben álló légi és tömeges tehetetlenségi erők határozzák meg. A repülési izmok vagy teljesen összehúzódnak, vagy egyáltalán nem, a nyújtás által kiváltott összehúzódás miatt. Amikor azonban megváltozik a szárnycsappantyú amplitúdója vagy a szárny pozíciója, amelyeket repülésirányításra használnak, a szárny légellenállása megváltozik, amely ellenáll az összehúzódási erőnek. Ez megváltoztatja a rovar szárnyának csapkodási gyakoriságát. A mellkasban rögzített legyek kísérletében a csapkodó frekvencia függése a teljes rendszer mechanikai tulajdonságaitól, amely rezonancia rendszerként is felfogható, megfigyelhető a szárny rövidítésével vagy viaszos méréssel.
A repülési izmok irányítása rendkívül primitív lehet, és összekapcsolható a rovar lábainak földi érintkezésének jelentésével (mint a légy esetében). Először is, a légy egyszerűen leugrik a földről, egyik láb sem jelent földi érintkezést, és a repülési izom elindul.
Leszálláskor egy vagy több láb beszámol a talaj érintkezéséről, és a szárny izmait leállítják. Ha egy légy úgy van a mellkasához rögzítve, hogy a lábai nem érintik a földet, szárnyai gyakran sokáig csapkodnak.
A legyek és más rovarok közvetett repülési izmainak egyike a legnagyobb energiafelhasználású szövet. Az elektronmikroszkóp képek a mitokondriumok rendkívüli sűrűségét mutatják, amelyek minden energia számára „energiaerőművekként” szolgálnak. A repülés során keletkező óriási hulladékhő miatt hatékony hűtőrendszerre van szükség. A méhek és valószínűleg a legyek is itt használják a nagyon hatékony párolgási hűtést - akárcsak az emlősök. A rovarok a mellkas repülési izmainak által felmelegített hemolimfát a fejbe pumpálják, és megfojtanak egy csepp folyadékot, amely a csomagtartóból kerül ki, majd elpárolog. A mellkas felső oldalához rögzített legyeknél ez a csepp egy idő után nagyon szépen megfigyelhető. A rovarok repülési hajlama nagymértékben csökken, ha a levegő páratartalma magas.
Közvetlen repülési izmok
A primitívebb rovarokban, például a szitakötőkben és a majmokban közvetlen meghajtó található. A szárnyak itt közvetlenül kapcsolódnak az antagonista izmokhoz. A szárnyak közvetlen megközelítésében a mozgás vezérlése analóg a gerincesek csontvázizmainak irányításával (például a karizmok hajlítói/nyújtói). A kontrakciókat közvetlenül az idegrendszer váltja ki a motoros neuronok akciós potenciálján keresztül. A járási mozgásokhoz hasonlóan a rovarok központi idegrendszerében is vannak bizonyos idegkapcsolatok, amelyeket mintagenerátoroknak is neveznek, és amelyek a repülési izmok összehúzódási viselkedését generálják akciópotenciális szekvenciaként.
Légiharc technikák
A szitakötő-repülés legújabb tanulmányai kimutatták, hogy a szitakötők képesek állandó helyzetben tartani a támadni kívánt rovar fejét és összetett szemét. Ennek eredményeként a közeledő szitakötő helyzete áldozata szemében állandó marad, a támadó szitakötőt nem veszik észre. Továbbá a hím szitakötők szárnyaik megerősített élével küzdenek egymással annak érdekében, hogy a versenytársak elűzésével nagyobb esélyük legyen a szaporodásra.