Летающие жирафы, мамонты-блондины, карликовые коровы... От палеонтологических реконструкций к предск

Многие насекомые являются существами, весьма зависимыми от солнца. Им необходим внешний нагрев, чтобы утром возвратиться к жизни после ночного оцепенения. Выползая на кончик тонкой веточки, чтобы подставить тело первым лучам светила, древние насекомые могли ускорить прогрев, совершая машущие движения пластинчатыми выростами на грудном отделе. Вероятно, изначально такие телодвижения понадобились для другой, даже более важной, функции: в конце девонского периода уровень кислорода в атмосфере сильно упал, соответственно понизилась и плотность воздуха, а жизнь насекомых зависит от давления в дыхательных трубочках — трахеях. Вот и приходилось им нагнетать грудными выростами дополнительные объемы воздуха в дыхальца, чтобы продышаться. Поэтому, наверное, у палеозойских стрекоз, поденок, а также вымерших паолиид и диктионеврид (крупных насекомых с колющим хоботком) даже личинки обладали подвижными выростами грудного отдела, на что обратила внимание палеоэнтомолог Ярмила Кукалова-Пек, работавшая в Карлтонском университете в Оттаве. Дальнейшая эволюция могла пойти в сторону удлинения таких лопастей и увеличения их поверхности. Так и появились машущие крылья. Вымершие каменноугольные и пермские диктионевриды еще сохраняли три пары пронизанных жилками и покрытых щетинками крыловидных выростов, но двигались только две последние из них. Настоящие крылья у всех насекомых располагаются на втором и третьем сегментах груди.

Далее стремительному взлету насекомых способствовал резкий подъем уровня кислорода — не менее 30 процентов — в каменноугольной атмосфере (сейчас 21 процент). Поскольку содержание азота оставалось неизменным, возросло атмосферное давление. Повысились плотность, вязкость и скорость перемешивания газовых молекул. Надышавшись вволю, летающие шестиножки размахнули крылья на 40–70 сантиметров [11]. Большая плотность воздуха обеспечила им достаточную подъемную силу и условия для полета. Ведь машущий полет требует постоянного и скорого обновления кислорода в организме. А подросшие деревья обеспечили надежную стартовую площадку для покорения воздушного пространства: не нужно было тратить дополнительные усилия на преодоление силы тяжести.

От древнейших летающих насекомых, появившихся около 325 миллионов лет назад, — каменноугольных паолиид — ничего, кроме крыльев (в мелкую неправильную сеточку), и не сохранилось. У всех насекомых, впервые освоивших полет, крылья не складывались, как у больших стрекоз. С такими крыльями трудно было спрятаться и можно было улететь, даже помимо своего желания, с порывом ветра. На первых порах использовались все четыре крыла. Сейчас так летают выжившие с тех пор сетчатокрылые (ныне их представляют златоглазки и муравьиные львы), скорпионницы и ручейники. Тело, скажем у муравьиного льва, висит в воздухе почти вертикально, а крылья двигаются перпендикулярно оси тела с низкой частотой биений. Передние крылья машут как бы независимо от задних, и образующиеся две пары завихрений вынуждают насекомое постоянно проваливаться в воздушные ямы, описывая синусоиду. Чтобы избавиться от паразитных вихрей, нужно было отказаться от «лишней» пары крыльев или превратить их в единую несущую плоскость с передними.

Этим путем и пошла дальнейшая эволюция насекомых. Но заняла дорога «технического прогресса» сотни миллионов лет. А пока можно внимательнее присмотреться к такому удивительному органу, как крыло насекомых: в отличие от крыльев других летающих животных в нем нет мускулов. Это двуслойный вырост грудной части внешнего скелета, пронизанный жилками, по которым течет гемолимфа (аналог крови, содержащий дыхательные пигменты), обеспечивающая их упругость, проходят нервы и трахеи. Такая конструкция сочетает возможности рычага (передает усилия грудных мышц всей маховой поверхности), несущей плоскости (создает подъемную силу, уравновешивающую вес насекомого, и толкают тело вперед) и подвесного моста (может сильно гнуться, не разрываясь на части, а также изменяет угол атаки, сохраняя его положительным). Именно благодаря сгибаниям при взмахе крыло накапливает упругие силы, возвращающие его в исходное положение без лишних затрат энергии. Подобный механизм гораздо экономичнее любого из созданных человеком летательных аппаратов, но, увы, неповторим в доступных пока людям материалах.

При перераспределении основной моторной функции на задние крылья маховый цикл начинается с их открытия. Возникающий вихрь приводит к образованию под ними области пониженного давления, которая препятствует образованию вихря за передними крыльями. Не удивительно, что среди насекомых появилось множество заднемоторных: тараканы, прямокрылые, палочники и вымершие тараканосверчки. Большинство из них существуют около 330 миллионов лет. Передние крылья этих насекомых превратились не просто в несущую плоскость, но и в плотную защитную оболочку, когда они в сложенном виде закрывают нежное брюшко и задние крылья. Эти насекомые питаются растительной пищей — низкокалорийной и ядовитой, поэтому у них довольно объемный кишечник, перенос которого по воздуху требует изрядных затрат энергии. Как следствие, среди них нет искусных летунов, хотя саранча и перемещается на значительные расстояния. Жуки, у которых передние крылья преобразованы в плотные щитки-элитры, тоже относятся к заднемоторным насекомым. Они вознеслись в небо в пермском периоде.

Весьма необычные способности выработались у стрекоз — одной из древнейших групп насекомых. У них хорошо разработана продольная мускулатура груди, благодаря чему каждое из четырех крыльев может двигаться независимо от остальных. Эти прожорливые хищники легко маневрируют и, не меняя положения тела, перемещаются и вбок, и задом наперед. Да и разворачиваются они в три-четыре раза быстрее, чем, например, жуки. Правда, пируэты требуют постоянных энергетических затрат, вот и мечутся коромысла над гладью озер, расставив свой ловчий сачок из лапок для поимки зазевавшихся дальних родственников — бабочек, мух, даже других стрекоз. Более молодые в эволюционном отношении стрекозы красотки и стрелки перешли на двукрылый полет, взмахивая лишь задними крыльями.

Наилучшие летуны появились среди самых молодых групп. Точнее говоря, совершенные формы полета породили эти новые группы — перепончатокрылых (осы, пчелы, наездники, муравьи), бабочек и их близких родственников двукрылых (мухи, комары, москиты). Появились они в мезозойскую эру, а наиболее продвинутые формы — в кайнозойскую. Все эти насекомые по своей природе — двукрылы и летают, расположив тело под острым углом к поверхности земли. У них либо существенно сократились размеры задних крыльев (у настоящих двукрылых превратившись в жужжальца — орган ориентации в пространстве), либо обе пары слились в единую несущую плоскость. Одни бабочки ведут преимущественно дневной образ жизни. Благодаря большой площади крыльев и чешуйкам, быстро нагревающимся в солнечных лучах (до 37–45 °C) они парят в теплых восходящих потоках и могут перелетать на огромные расстояния во время сезонных миграций. Другие предпочитают сумеречное время и прогреваются сами за счет высокой частоты взмахов; бражники способны даже зависать над цветком, высасывая нектар без посадки.

Так же неподвижно «застывают» в воздухе двукрылые. При высокой частоте взмахов (до 340 герц, а возможно, и больше) они летают и вбок, и задом наперед, совершают кульбиты, пролетая вверх ногами и садясь на поверхность снизу. Причем все маневры совершают за считанные миллисекунды. Среди прочих «технических» достижений двукрылых следует назвать относительную независимость левого и правого крыльев (одно может совершить полный маховый цикл, а другое замереть), автоматический контроль угла атаки и активную регулировку площади крыльев. В освоении воздушного пространства с ними могут сравниться разве что перепончатокрылые, тоже машущие с частотой более 60 герц. Самое удивительное, что согласно классическим законам аэродинамики шмели к полету совершенно не приспособлены, а они — одни из лучших летунов! Полет у этих групп — очень энергоемок, поэтому все они перешли на высококалорийную пищу — нектар, растительные соки и кровь.