Hejno holubů domácích, každý v jiné fázi své chlopně.
Létání je hlavním způsobem pohybu, který používá většina ptačích druhů na světě. Létání pomáhá ptákům při krmení, rozmnožování a vyhýbání se predátorům.
Tento článek pojednává o mechanice ptačího letu s důrazem na různorodé formy ptačích křídel. Zkoumají se také specifika vznášení, vzletu a přistání. Zahrnuty jsou další úpravy ptačích těl týkající se jejich letových schopností. Nakonec jsou diskutovány teorie o vývoji ptačího letu.
Základní mechanika letu ptáků
Síly působící na křídlo. Síla zdvihu má přední i svislou složku.
Základy ptačího letu jsou podobné jako u letadel. Síla ve vzduchu vzniká působením proudu vzduchu na křídlo, což je křídlo. Síla ve vzduchu vzniká, protože vzduch má nižší tlak těsně nad křídlem a vyšší tlak pod ním.
Malý plameňák letící ve formaci
Při plachtění získávají ptáci i kluzáky ze svých křídel jak vertikální, tak i dopřednou sílu. To je možné, protože síla vztlaku vzniká v pravém úhlu k proudění vzduchu, který při plachtění přichází z místa mírně pod horizontálou (protože pták klesá).
Kromě jeho váhy existují tři hlavní tažné síly, které brání vzdušnému letu ptáka: třecí odpor (způsobený třením vzduchu a povrchu těla), tvoří odpor (kvůli čelní ploše ptáka, také známý jako tlakový odpor) a vztlakem vyvolaný odpor (způsobený vírem konce křídel). Tyto síly jsou redukovány zefektivněním těla a křídel ptáka.
Klíčem k ptačímu letu jsou přední končetiny ptáka, křídla. Každé křídlo má centrální lopatku pro náraz větru, složenou ze tří končetinových kostí, pažní kosti, loketní kosti a vřetenní kosti. Ruka neboli rukopis, který byl po předcích složen z pěti číslic, je redukován na tři číslice (číslice II, III a IV nebo I, II, III v závislosti na použitém schématu), které slouží jako kotva pro primáry, jednu ze dvou skupin letových per zodpovědných za tvar křídla ve vzduchu. Druhá sada letových per, za karpálním kloubem na loketní kosti, se nazývá sekundáry. Zbývající pera na křídle jsou známa jako krytiny, z nichž jsou tři sady. Křídlo má někdy zakrnělé drápy. U většiny druhů se tyto ztrácejí v době, kdy je pták dospělý (například ty dobře viditelné, které používají k aktivnímu lezení mláďata Hoatzinů), ale drápy si ponechává do dospělosti pták sekretář, křiklouni, ploutvonožci, pštrosi, několik rorýsů a mnoho dalších, jako místní znak, v několika exemplářích. Drápy Jurského teropodního druhu Archaeopteryx jsou dosti podobné drápům mláďat Hoatzina.
Albatrosy mají v kloubech křídel blokovací mechanismus, který snižuje namáhání svalů při vzletu.
Samice vystavené predátorům během ovulace produkují mláďata, kterým rostou křídla rychleji než mláďatům samic bez predátorů. Jejich křídla jsou také delší. Díky oběma adaptacím se mohou lépe vyhýbat ptačím predátorům.
Tvar křídla je důležitým faktorem při určování typů letu, kterých je pták schopen. Různé tvary odpovídají různým kompromisům mezi prospěšnými vlastnostmi, jako je rychlost, nízká spotřeba energie a manévrovatelnost. Tvar křídla (tvar křídla při pohledu zdola) lze popsat pomocí dvou parametrů, poměru stran a zatížení křídla. Poměr stran je poměr rozpětí křídel k průměru jeho akordu (nebo čtverec rozpětí křídel děleno plochou křídla). Zatížení křídla je poměr hmotnosti k ploše křídla.
Většina druhů ptačích křídel může být seskupena do čtyř typů, přičemž některé spadají mezi dva z těchto typů. Tyto typy křídel jsou eliptická křídla, křídla s vysokou rychlostí, křídla s vysokým poměrem stran a křídla s drážkami.
Křídla Budgerigar, jak je vidět na této domácí samici, umožňují vynikající manévrovatelnost
Křídla eliptická jsou krátká a zaoblená, mají nízký poměr stran, což umožňuje těsné manévrování ve stísněných prostorech, jaké lze nalézt v husté vegetaci. Jako taková jsou běžná u lesních dravců (jako jsou jestřábi Accipiterovi) a u mnoha pěvců, zejména nemigračních (stěhovavé druhy mají delší křídla). Jsou také běžná u druhů, které používají rychlý vzlet, aby se vyhnuly predátorům, jako jsou bažanti a koroptve.
Vysokorychlostní křídla jsou krátká, špičatá křídla, která v kombinaci s těžkým zatížením křídel a rychlými údery křídel poskytují energeticky drahou vysokou rychlost. Tento typ letu používá pták s nejrychlejší rychlostí křídel, sokol stěhovavý, stejně jako většina kachen. Stejný tvar křídel používají aukové k jinému účelu; aukové používají svá křídla k „letu“ pod vodou.
Peregrine Falcon má nejvyšší zaznamenanou rychlost střemhlavého letu 200 mph (322 km/h).[citace nutná] Nejrychlejším přímým letem s pohonem je Spine-tailed Swift s rychlostí 105 mph (170 km/h).[citace nutná]
Roseate Tern využívá nízké zatížení křídel a vysoký poměr stran k dosažení letu nízkou rychlostí
Křídla s vysokým poměrem stran, která mají obvykle nízké zatížení křídel a jsou mnohem delší než široká, se používají pro pomalejší let, téměř vznášející se (jak to používají poštolky, rybáci a noční ptáci) nebo alternativně ptáky, kteří se specializují na vzletný a klouzavý let, zejména ten, který používají mořští ptáci, dynamický vzletný let, kteří používají různé rychlosti větru v různých výškách (střih větru) nad vlnami v oceánu, aby zajistili vztlak. Nízká rychlost letu je důležitá pro ptáky, kteří se vrhají střemhlav pro ryby.
To jsou křídla, která mají v oblibě větší druhy vnitrozemských ptáků, jako jsou orli, supi, pelikáni a čápi. Patice na konci křídel, mezi primáry, snižují vyvolaný odpor a vír na koncích křídel tím, že „zachycují“ energii ve vzduchu proudící z dolního do horního povrchu křídel na koncích [nutná citace], zatímco kratší velikost křídel napomáhá při vzletu (křídla s vysokým poměrem stran vyžadují dlouhé taxi, aby se dostala do vzduchu).
Kolibřík s rubínovým hrdlem dokáže mávat křídly 52krát za sekundu
Vznášení je používáno několika druhy ptáků (a specializuje se na ně jedna rodina). Skutečné vznášení, které vytváří vztlak pouze pomocí mávání křídly, spíše než jako produkt ptačího průletu vzduchem, vyžaduje mnoho energie. To znamená, že je omezeno na menší ptáky; největším ptákem schopným se skutečně vznášet je ledňáček strakatý, i když větší ptáci se mohou vznášet krátkou dobu. Větší ptáci, kteří se vznášejí delší dobu, tak činí tím, že letí proti větru, což jim umožňuje zůstat nehybní vzhledem k zemi (nebo vodě). Toto vznášení proti větru využívají Poštolky, rybáci a dokonce i jestřábi.
Většina ptáků, kteří se vznášejí, mají křídla s vysokým poměrem stran, která jsou vhodná pro létání v nízké rychlosti. Jednou z hlavních výjimek jsou kolibříci, kteří jsou ze všech ptáků nejdokonalejšími vznášedly. Let kolibříků se od ostatních ptáků liší tím, že křídlo je roztaženo po celou dobu zdvihu, přičemž zdvih křídla je symetrický na osmičku, přičemž zdvih křídla vytváří zdvih při zdvihu nahoru i dolů. Někteří kolibříci dokážou mávnout křídly 52krát za sekundu, zatímco jiní tak činí méně často.
Samec bufflehead běží na vodě při vzletu
Vzlet je jedním z energeticky nejnáročnějších aspektů letu, protože pták potřebuje vytvořit dostatečné proudění vzduchu přes křídlo, aby mohl vytvořit vztlak. U malých ptáků stačí vyskočit, zatímco u větších ptáků to není možné. V této situaci potřebují ptáci vyběhnout, aby vytvořili proudění vzduchu ke vzletu. Velcí ptáci vzlétají čelem proti větru, nebo, pokud mohou, usazením se na větvi nebo útesu, takže stačí, když vyskočí do vzduchu.
Přistání je také problém pro velké ptáky s vysokým zatížením křídel. Tento problém se u některých druhů řeší tak, že se zaměří na místo pod zamýšlenou přistávací plochou (například hnízdo na útesu) a pak se předem vytáhnou. Při správném načasování je rychlost letu po dosažení cíle prakticky nulová. Přistání na vodě je jednodušší a větší druhy vodního ptactva tak činí raději vždy, když je to možné, přistávají do větru a používají nohy jako smyky. Aby někteří velcí ptáci, jako například husy, před přistáním rychle ztratili výšku, dopřávají si rychlou střídavou sérii bočních skluzů nebo se dokonce nakrátko otočí hlavou dolů při manévru zvaném frkání.
1 osy; 2 okraje (okrajové podkřídlové kryty); 3 menší podkřídlové kryty; 4 střední podkřídlové kryty (sekundární kryty); 5 větší podkřídlové kryty (sekundární kryty); 6 karpální kloub; 7 menší podkřídlové primární kryty; 8 větší podkřídlové primární kryty; 9 sekundární; 10 primární kryty
Nejviditelnější adaptací na let je křídlo, ale protože let je tak energeticky náročný, vyvinuli si ptáci několik dalších adaptací, aby zvýšili efektivitu při létání. Ptačí těla jsou aerodynamická, aby pomohli překonat odpor vzduchu. Kostra ptáka je také dutá, aby se snížila hmotnost, a mnoho nepotřebných kostí bylo ztraceno (například kostnatý ocas raného ptáka Archaeopteryxe), spolu se zubatou čelistí raných ptáků, která byla nahrazena lehkým zobákem. Kostra hrudní kosti se také přizpůsobila velkému kýlu, vhodnému pro uchycení velkých, silných letových svalů. Lopatky každého peří mají hooklety zvané barbuly, které zapínají lamely jednotlivých peří dohromady, což peří dodává sílu potřebnou k udržení křídla (ty se často ztrácejí u nelétajících ptáků). Barbuly udržují tvar a funkci peří. Každé peří má hlavní (větší) stranu a vedlejší (menší) stranu, což znamená, že hřídel nebo rachis neklesá středem peří. Spíše jde podélně mimo střed s menší nebo menší stranou dopředu a větší nebo větší stranou dozadu k peří. Tato péřová anatomie během letu a mávání křídly způsobuje rotaci peří v jeho folikulu. Rotace probíhá při pohybu křídla nahoru. Větší strana směřuje dolů a umožňuje tak vzduch proklouznout křídlem. To v podstatě narušuje integritu křídla, což umožňuje mnohem snazší pohyb ve směru nahoru. Integrita křídla je obnovena při pohybu dolů, což umožňuje část vztlaku, který je vlastní ptačím křídlům. Tato funkce je nejdůležitější při „vzletu“ nebo dosažení vztlaku při velmi nízkých nebo pomalých rychlostech, kdy se pták natahuje nahoru, chytá se vzduchu a vytahuje se nahoru. Při vysokých rychlostech zajišťuje většinu vztlaku, který je potřebný k udržení letu, funkce vzduchové fólie křídla.
Velké množství energie potřebné pro let vedlo k vývoji jednosměrného plicního systému, který poskytuje velké množství kyslíku potřebného pro jejich vysokou dechovou frekvenci. Tato vysoká rychlost metabolismu produkuje v buňkách velké množství radikálů, které mohou poškodit DNA a vést k nádorům. Ptáci však netrpí jinak očekávanou zkrácenou délkou života, protože jejich buňky vyvinuly účinnější antioxidační systém než ty, které se nacházejí u jiných zvířat. [citace nutná]
Mořští ptáci létají na mysu Hay ve vysoké Arktidě
Většina paleontologů se shoduje, že se ptáci vyvinuli z malých teropodních dinosaurů, ale původ ptačího letu je jednou z nejstarších a nejžhavěji zpochybňovaných debat v paleontologii. Čtyři hlavní hypotézy jsou: „od stromů dolů“, že předkové ptáků nejprve klouzali dolů ze stromů a poté získali další modifikace, které umožnily skutečně poháněný let; „od země nahoru“, že předkové ptáků byli malí, rychlí draví dinosauři, u nichž se peří vyvíjelo z jiných důvodů a poté se dále vyvíjelo, aby poskytovalo nejprve vztlak a poté skutečně poháněný let; a „křídly podporovaný šikmý chod“ (WAIR), což je verze „od země nahoru“, v níž ptačí křídla pocházela z modifikací předních končetin, které poskytovaly přítlak, což umožňovalo protoptákům běhat po extrémně strmých svazích, jako jsou kmeny stromů; a „mlácení Proavisem“, které předpokládá, že se let vyvíjel modifikací z taktiky stromového přepadu.
Diskutovalo se také o tom, zda nejstarší známý pták, Archaeopteryx, mohl létat. Zdá se, že Archaeopteryx měl mozkové struktury a čidla rovnováhy ve vnitřním uchu, které ptáci používají k řízení svého letu. Archaeopteryx měl také uspořádání křídelního peří jako moderní ptáci a podobně asymetrické letové peří na křídlech a ocase. Archaeopteryx však postrádal ramenní mechanismus, kterým křídla moderních ptáků vytvářejí rychlé, silné vzestupy; to může znamenat, že on a další raní ptáci nebyli schopni mávat křídly a mohli jen klouzat. Přítomnost většiny zkamenělin v mořských sedimentech na stanovištích bez vegetace vedla k hypotéze, že mohli svá křídla používat jako pomůcky pro běh po vodní hladině po způsobu ještěrů baziliškových.
Není známo, jak dobře mohl Archaeopteryx létat, nebo zda vůbec mohl létat.
To byla nejranější hypotéza, podpořená příklady plachtících obratlovců, jako jsou létající veverky. Naznačuje to, že proto-ptáci jako Archaeopteryx používali své drápy k vyšplhání na stromy a odletěli z vrcholků.
Některé nedávné výzkumy podkopávají hypotézu „stromy dolů“ tím, že naznačují, že nejstarší ptáci a jejich bezprostřední předci na stromy nelezli. Moderní ptáci, kteří hledají potravu na stromech, mají mnohem zakřivenější drápy na prstech než ti, kteří hledají potravu na zemi. Drápy druhohorních ptáků a blízce příbuzných neptačích teropodních dinosaurů se podobají drápům moderních ptáků, kteří hledají potravu na zemi.
Peří je velmi časté u koalurasuridních dinosaurů (včetně raného tyranosaura Dilonga). Moderní ptáci jsou klasifikováni jako koalurasauři téměř všemi palaeontology, i když ne několika ornitology. Původní funkce peří mohly zahrnovat tepelnou izolaci a konkurenční displeje. Nejčastější verze hypotézy „od země nahoru“ tvrdí, že předkové ptáků byli malí pozemní dravci (spíše jako roadrunneři), kteří používali své přední končetiny pro rovnováhu při pronásledování kořisti a že přední končetiny a peří se později vyvinuly způsoby, které poskytovaly klouzavý a poté poháněný let. Jiná teorie „od země nahoru“ tvrdí, že vývoj letu byl zpočátku poháněn konkurenčními displeji a bojem: displeje vyžadovaly delší peří a delší, silnější přední končetiny; mnoho moderních ptáků používá svá křídla jako zbraně a údery směrem dolů mají podobný účinek jako při plácavém letu. Mnoho zkamenělin Archaeopteryxe pochází z mořských sedimentů a bylo naznačeno, že křídla mohla pomoci ptákům běhat po vodě po způsobu Ježíše Krista Ještěra (baziliška obecného).
Nejnovější útoky na hypotézu „od základů“ se pokoušejí vyvrátit její domněnku, že ptáci jsou modifikovaní kolurosauří dinosauři. Nejsilnější útoky jsou založeny na embryologických analýzách, které docházejí k závěru, že ptačí křídla jsou tvořena číslicemi 2, 3 a 4 (odpovídající ukazováčku, prostředníčku a prsteníčku u člověka; první ze 3 číslic ptáka tvoří alulu, kterou používají, aby se vyhnuli zastavení při letu nízkou rychlostí, například při přistání); ale ruce kolurosaurů jsou tvořeny číslicemi 1, 2 a 3 (palec a první 2 prsty u člověka). Nicméně tyto embryologické analýzy byly okamžitě zpochybněny na embryologickém základě, že „ruka“ se často vyvíjí odlišně v kladech, které ztratily některé číslice v průběhu svého vývoje, a proto se ptačí ruce vyvíjejí z číslic 1, 2 a 3.
Příčný běh s podporou křídel
Hypotéza WAIR byla podnícena pozorováním mladých kuřat chukarů a navrhuje, že křídla vyvinula své aerodynamické funkce v důsledku nutnosti rychle běhat do velmi strmých svahů, jako jsou kmeny stromů, například pro únik před predátory. Všimněte si, že v tomto scénáři potřebují ptáci přítlak, aby měli jejich nohy větší přilnavost. Ale ranní ptáčata, včetně Archaeopteryxe, postrádala ramenní mechanismus, kterým křídla moderních ptáků vytvářejí rychlé, silné vzestupy; protože přítlak, na kterém je WAIR závislá, je generován vzestupy, zdá se, že raní ptáci nebyli schopni WAIR.
Tato teorie byla poprvé navržena Garner, Taylor, a Thomas v roce 1999:
Navrhujeme, aby se ptáci vyvinuli z predátorů, kteří se specializovali na přepady ze zvýšených míst a používali své raptorické zadní končetiny při skákavém útoku. Mechanismy založené na tahu a později i na zdvihu se vyvinuly v rámci výběru pro lepší kontrolu polohy těla a pohyblivosti během vzdušné části útoku. Výběr pro lepší kontrolu na základě zdvihu vedl ke zlepšení koeficientů zdvihu, mimochodem přeměnil vrh do střemhlavého letu s rostoucí produkcí zdvihu. Výběr pro větší rozsah střemhlavého letu by konečně vedl ke vzniku skutečného letu.
Využití a ztráta letu u moderních ptáků
Ptáci používají let k získání kořisti na křídlech, ke shánění potravy, k dojíždění do lovišť potravy a k migraci mezi ročními obdobími. Některé druhy ho také používají k vystavení v období rozmnožování a k dosažení bezpečných izolovaných míst pro hnízdění.
Létání je u větších ptáků energeticky nákladnější a mnoho největších druhů létá tak, že se co nejvíce vznášejí a plachtí (aniž by mávali křídly). Vyvinulo se mnoho fyziologických adaptací, které činí let efektivnějším.
Ptáci, kteří se usadí na izolovaných oceánských ostrovech, na nichž se nevyskytují pozemní predátoři, často ztrácejí schopnost létat. To dokládá jak důležitost letu při vyhýbání se predátorům, tak jeho extrémní poptávku po energii.