Een jonge libel heeft zich uit zijn pop bevrijd. De jungle rondom is stil en wordt niet gestoord door zoemende insecten, maar dat verandert zodra de vleugels van het ranke dier in de zon opgedroogd zijn. Het prehistorische reuzeninsect stijgt op vanaf de grond en maakt de eerste vlucht van de wereldgeschiedenis.
Sinds de vliegende insecten ongeveer 325 miljoen jaar geleden opstegen, bleek de ontwikkeling van vleugels steeds weer een route naar succes in het dierenrijk te zijn: vleermuizen – de enige zoogdieren die kunnen vliegen – maken vandaag de dag rond een vijfde van alle zoogdiersoorten uit. Vogels zijn de enige groep dinosauriërs die de gigantische sterfte onder deze oerdieren wisten te overleven. En de derde groep dieren met vleugels – insecten – is veruit de meest soortenrijke op aarde.
Vliegende dieren presteren niet alleen goed doordat ze snel aan roofdieren kunnen ontsnappen, maar ook doordat het vliegen hun andere gunstige eigenschappen heeft opgeleverd. Dankzij hun vleugels nemen vogels de wereld twee keer zo snel waar als mensen, terwijl vleermuizen met behulp van geluid gedetailleerde 3D-kaarten in hun hersenen kunnen tekenen.
Een speciale vliegtechniek geeft de kleinste insecten tot 25 procent meer lift dan grotere dieren.
Unieke vliegtechniek bespaart energie
Dankzij een bijzondere vleugelslag stijgen de kleinste insecten tot 25 procent energiezuiniger op dan grotere.
Aantal soorten explodeerde
De eerste vliegende libel was veel groter dan zijn huidige afstammelingen. ?
Onderzoekers hebben fossielen van prehistorische libellen met een spanwijdte tot wel 70 centimeter gevonden. De toenmalige soorten vielen onder de meganeura, een insectengeslacht dat 380 miljoen jaar geleden een bloeitijd kende.
De atmosfeer bevatte toen 35 procent zuurstof, tegen 21 procent nu, waardoor de libellen zich konden ontwikkelen tot grote roofdieren die leefden van kleinere insecten. Maar pas toen ze als eerste dieren vleugels ontwikkelden, werd de basis gelegd voor het grote succes van hun nakomelingen.
De eerste afdrukken van vleugels zijn aangetroffen in fossielen van reuzenlibellen die zo’n 325 miljoen jaar geleden leefden. Naast deze innovatie in het dierenrijk is aan de fossielen te zien dat de soortenrijkdom onder de insecten explodeerde – wat erop duidt dat vleugels ze een groot voordeel gaven.
VIDEO – Kijk hoe een microdrone het extreem wendbare fruitvliegje nabootst:
Insecten zijn zeer veelzijdige piloten. Ze kunnen zweven, achteruit vliegen en enorm versnellen, maar onderzoekers zijn pas onlangs gaan bestuderen hoe ze dat doen. Met name de vliegtechniek van de kleinste soorten blijkt zeer ingewikkeld. Een klein lijf is niet per se een voordeel als je het in de lucht moet houden, want de vleugels zijn dan ook miniem.
Kleine dieren moeten dus zo snel klapwieken dat de impulsen van het zenuwstelsel het niet bijhouden, terwijl grotere vliegende insecten als vlinders en hommels toe kunnen met één zenuwimpuls per vleugelslag. Hun zenuwsignalen en hun activering van de spieren zijn dus maximaal op elkaar afgestemd. De aansturing van de vleugels is stukken complexer voor de kleinere insecten. Zenuwsignalen halen hooguit 360 km/h, en dat is te langzaam voor dieren die hun vleugelspieren meer dan 1000 keer per seconde moeten laten samentrekken en ontspannen.
Daarom hebben de kleinste insecten een techniek ontwikkeld waarbij een groep spieren zich vele keren per zenuwsignaal samentrekt en weer strekt. Elke impuls triggert een soort ultrasnelle spiertrilling, die de vorm van het skelet van het dier verandert, waardoor de vleugels bewegen. Zo kan één stroomstootje van het zenuwstelsel wel 40 vleugelslagen voortbrengen. Omdat de vleugels uit de pas lopen met het zenuwstelsel, noemen we deze methode asynchroon vliegen.
1000 keer per seconde slaat de knut forcipomyia (een soort mugje) met zijn vleugels.
Naast snellere vleugelslagen bieden de asynchrone spieren nog meer voordelen. In verhouding tot andere spiertypen zijn de spiervezels zeer symmetrisch gerangschikt, wat wellicht de slagkracht van de vleugels helpt te vergroten.
Daarnaast zijn zoölogen erachter gekomen dat asynchrone piloten veel beter achteruit kunnen vliegen en beter zweven, en dat ze de drukveranderingen van de lucht goed kunnen gebruiken om hun opwaartse kracht te vergroten. Door de geschiedenis heen hebben bijen, vliegen, kevers en wantsen onafhankelijk van elkaar asynchrone vliegspieren ontwikkeld.
.
Insecten veranderen van vorm om te kunnen vliegen
Kleine insecten moeten ruim 1000 keer per seconde met hun vleugels slaan om in de lucht te blijven. Dat is mogelijk doordat verschillende spiergroepen het hele lijf ultrasnel samentrekken.
- a (blauw) = vleugels
- b (roze) = vleugelgewrichten
- c (beige) = verticale spieren, die de rug van het insect in de richting van zijn buik trekken, waardoor de vleugels omhoog gaan.
- d (oranje) = lengtespieren, die het lichaam van het insect in de lengte samentrekken, waardoor de vleugels omlaag gaan.
Een zenuwsignaal kan tot 40 samentrekkingen veroorzaken in de asynchrone vleugelspieren. Eén spiergroep trekt het insectenlijf overdwars samen (C), waardoor de vleugels omlaag gaan. Een andere groep comprimeert het lijf in de lengte bij elke samentrekking (D), waardoor de vleugels omhoog gaan. A = vleugels, B = vleugelgewrichten.
Scan ziet dinosaurus als een vogel
Insecten zijn niet de enige dieren die een evolutionaire reis van het land naar de lucht hebben gemaakt.
Ongeveer 150 miljoen jaar geleden ontstond de archaeopteryx, ofwel ‘de eerste vogel op aarde’. De onderzoekers vragen zich al lang af of deze beschrijving wel wetenschappelijk juist is. Veel kenners wijzen erop dat fossielen duidelijk laten zien dat het dier vleugels met veren had, maar de archaeopteryx had ook tanden en een lange, benige staart, wat kenmerken zijn van landdinosaurussen.
Critici van de vogeltheorie stellen dan ook dat het dier niet kon vliegen en niet meer was dan een ontwikkelingsstadium in de overgang van de dinosaurus naar de vogel.
De archaeopteryx wordt als de eerste vogel op aarde beschouwd, maar lange tijd was het niet duidelijk of hij echt kon vliegen. Nieuwe studies van fossiele hersenen laten echter zien dat het dier zeker door de lucht kon bewegen, al zaten grote afstanden er niet in.
Onderzoekers van de universiteit van Ohio hebben de zaak nu opnieuw belicht door te kijken naar de schedelomvang van het dier. Omdat vliegen zeer veel eist van de motoriek, was de hypothese dat als het dier zou kunnen vliegen, zijn hersenen groter zijn dan die van andere dinosauriërs.
De wetenschappers onderzochten een schedel van een archaeopteryx van 147 miljoen jaar oud, en aan de hand van 1300 röntgenfoto’s maakten ze een 3D-reconstructie van de hersenen van het dier op de computer.
Het computermodel toonde aan dat de hersenen 1,6 milliliter groot waren – circa drie keer zo groot als de hersenen van even grote reptielen.
De gehoorgang was breed en het visuele centrum in de hersenen ook groot, zoals van huidige vogels. Dankzij het bewijs van de goed ontwikkelde hersenen zijn wetenschappers het er nu wel over eens dat de archaeopteryx kon vliegen, al was hij nu ook weer geen luchtacrobaat.
Spiermassa maakt van kolibrie een acrobaat
Dit vogeltje heeft elk deel van zijn lichaam afgestemd op een vliegend leven. Als enige vogel kan de kolibrie zowel achteruit vliegen als stilstaan in de lucht.
Het beeld wordt net als bij andere kleine vogels extreem snel ververst. De kolibrie merkt bewegingen daardoor twee keer zo snel op als mensen.
Een hersencentrum geeft de vogel zijn unieke vermogen om elke kant op te vluchten, want hij is bijzonder kwetsbaar als hij door de lucht zweeft.
De schouder is flexibel en de vleugel kan horizontale achtjes maken. Anders dan bij andere vogels creëren de vleugelslagen voortdurend opwaartse kracht.
De armpennen stellen de vorm en omvang van het vleugeloppervlak bij. Daarmee kan de vogel nauwkeurig zijn eigen liftkracht bepalen.
De borstspieren zijn groter dan bij veel andere vogels. Waar spieren normaal 15 procent van het lichaamsgewicht vormen, is dat bij kolibries 30 procent.
De pootjes zijn zo klein dat de vogel in de lucht niet afgeremd wordt door hun gewicht. Dat betekent wel dat de kolibrie niet goed kan lopen.
Vogels zien wereld in slow motion
Om te vliegen hebben dieren zeer scherpe zintuigen nodig – en vogels hebben dan ook de beste ogen van het dierenrijk. Roofvogels moeten daarbij ver kunnen zien.
Daarom staan hun ogen dicht bij elkaar, zodat de visuele indrukken van de beide ogen elkaar overlappen. Het zogeheten binoculaire zicht, dat mensen ook hebben, en de ongewoon grote dichtheid van de receptoren in het netvlies, geven de dieren zo’n scherp beeld dat arenden bijvoorbeeld een prooidier ter grootte van een konijn kunnen ontwaren op een afstand van meer dan 3 kilometer.
Onlangs toonden onderzoekers van de universiteit van Uppsala in Zweden aan dat prooivogels ook een indrukwekkend zicht hebben. In een proef met gevangen wilde vogels van soorten als de pimpelmees, de withals- en de bonte vliegenvanger werden de dieren beloond als ze op de flits van een lamp reageerden. Door de flitsfrequentie op te voeren, testten de onderzoekers hoe snel de vogels de visuele indrukken verwerkten, totdat de flitsen te snel kwamen om ze nog van elkaar te kunnen onderscheiden.
385 keer zijn lengte per seconde haalt een kolibrie: 8 keer zo snel als een F-15-straaljager.
De bonte vliegenvanger nam flitsen waar van slechts 7 milliseconden. Ter vergelijking: de menselijke hersenen kunnen op hun best visuele indrukken van 16 milliseconden vastleggen. Als wij het zicht van deze vogels hadden, zou het lijken alsof alles in slow motion beweegt. Het zeer ontwikkelde onderscheidingsvermogen is essentieel om de vliegende insecten waarvan de vogels leven, in de lucht te kunnen vangen.
Zoogdier stijgt ook op
Als laatste diergroep leerden de zoogdieren 50 miljoen jaar geleden vliegen, althans een enkele soort, toen de eerste vleermuizen het luchtruim kozen. Het vliegende zoogdier heeft zich ontpopt tot een nachtjager, die zich dankzij een zeer geavanceerd brein kan oriënteren op uitsluitend geluid.
De vleermuis kan als enige vliegende dier de stijfheid van zijn vleugels aanpassen.
Huidvleugels geven vleermuis een krachtiger vleugelslag
Anders dan bij vogels en insecten zijn de vleugels van vleermuizen niet stijf. De plastische vliezen van huid zitten vol spieren, die het dier een extra krachtige vleugelslag geven.
Aan de Johns Hopkins University in de VS heeft een team hersenwetenschappers een ruimte ingericht om de vliegkunsten van vleermuizen in de lucht te onderzoeken. Met camera’s en microfoons op de muren kunnen ze de dieren observeren. Tegelijk volgen kleine, geïmplanteerde sensoren de hersenactiviteit terwijl de vleermuizen door een hindernisbaan vliegen.
Mogelijk maken vleermuizen een zogeheten statische kaart van de omgeving, die ze in hun geheugen opslaan. Zenuwcellen plaatsen een denkbeeldig raster over de kaart, en vliegt het dier over zo’n rasterlijn, dan worden er zenuwcellen geactiveerd en weet de vleermuis waar hij zich bevindt op de kaart. Weer andere zenuwcellen zenden signalen uit wanneer de kop van het dier zich in een bepaalde hoek ten opzichte van de omgeving bevindt en informeren hem over de afstand tot zijn gekozen doelwit.
160 km/h is de horizontale topsnelheid van het snelste dier ooit, de hazenlipvleermuis.
De vleermuis vormt ook een dynamische kaart in de hersenen, die, in tegenstelling tot de statische, hem steeds in het midden houdt, zoals we dat ook kennen van gps-navigatiesystemen. De informatie voor de dynamische kaart is afkomstig van het echolocatiesysteem van de vleermuis. Hij zendt ultrageluidsimpulsen uit die afketsen op objecten in de omgeving.
De echo’s van deze signalen geven de hersenen van de vleermuis informatie over afstanden en richtingen, waardoor hij een gedetailleerde kaart van de objecten in de omgeving in de hersenen kan tekenen.
Wetenschappers ontdekten bijvoorbeeld dat vleermuizen soms extra ultrageluidssignalen uitzenden, en hun hypothese is dat de intensieve reeks signalen het dier de kans geeft om ‘scherp te stellen’ op objecten die interessant zijn, wat bijvoorbeeld handig kan zijn wanneer het dier navigeert in een dicht bos.
De eerste vleermuis, Onychonycteris finneryi, was 12 cm lang en had klauwen aan alle vijf tenen – in tegenstelling tot de huidige vleermuis, die maar 1 of 2 klauwen per poot heeft. Hij kon vliegen, maar oriënteerde zich zonder echolocatie, en wetenschappers denken daarom dat hij overdag actief was.
Vleermuizen hebben dezelfde scherpe zintuigen als vogels, maar omdat ze niet van visuele indrukken afhankelijk zijn, kunnen ze ’s nachts jagen, wanneer er maar weinig roofdieren actief zijn. Dankzij het vermogen om grote gebieden in kaart te brengen en op te slaan in de hersenen kunnen de dieren hele einden vliegen om gebieden met veel voedsel te vinden, wat cruciaal is geweest voor het succes van het vliegende zoogdier.
Dronebouwers leren van dieren
De navigatiesystemen van vleermuizen kunnen ook mensen ten goede komen. De Amerikaanse hersenonderzoeker en vleermuiskenner Seth Horowitz werkt aan een sensorapparaat dat het echolocatiesysteem van vleermuizen nabootst. Hiermee kunnen blinden en slechtzienden signalen versturen en echo’s van de omgeving opvangen. Het apparaat zendt ultrasone golven in allerlei frequenties uit en kan verschillende typen voorwerpen van elkaar onderscheiden.
De echo’s van het ene frequentiebereik kunnen bijvoorbeeld informatie over obstakels geven, terwijl een ander gebied waarschuwt voor kleine voorwerpen die snel bewegen. De uitdaging is om de geluiden zodanig te vertalen dat blinden en slechtzienden een duidelijk beeld van de omgeving krijgen.
Ook vogels leveren wetenschappers inspiratie. Hersenwetenschapper Niels Rattenborg van het Max Planck Institute for Ornithology heeft onlangs aangetoond dat vogels slapen – en zelfs de belangrijke remslaapfase kunnen bereiken – terwijl ze vliegen. De vogels doen dit door met één hersenhelft tegelijk te slapen. Omdat slaapgebrek een groeiend probleem is bij mensen, hoopt Niels Rattenborg van de vogels te kunnen leren hoe mensen in de toekomst beter met hun slaapgebrek kunnen omgaan.
Veel vogels kunnen met één hersenhelft tegelijk slapen. Dat zie je doordat ze altijd één oog open houden.
Onderzoekers van Wageningen University & Research hebben zich tot slot laten inspireren door de unieke, stabiele vlucht van insecten om de onkwetsbare drone van de toekomst te kunnen bouwen.
Onderzoek van fruitvliegjes wijst uit dat ze ondanks ernstig vleugelletsel kunnen blijven vliegen, bijvoorbeeld door sneller met hun vleugels te slaan. Dus nu hebben de wetenschappers een drone gemaakt die met één werkende vleugel in de lucht blijft. Zo is er weer een eigenschap van vliegende dieren benut.