Ptasie odloty. Biologia piór jest bardziej fascynująca niż sądziliśmy

W listopadzie 2022 roku pewien ptaszek o kryptonimie B6 ustanowił nowy rekord świata, na który – poza ornitologami – prawie nikt nie zwrócił uwagi. W ciągu 11 dni i nocy B6, młody szlamnik rdzawy (Limosa lapponica), przeleciał z terenu lęgowego na Alasce do miejsca zimowania na Tasmanii, pokonując – bez przerwy i postoju – 13 500 km. Dla porównania, istnieje tylko jeden samolot komercyjny, który może latać tak daleko bez międzylądowania – Boeing 777 o rozpiętości skrzydeł 70 m i najpotężniejszym silniku odrzutowym na świecie. Podczas swojej podróży na drugi kraniec świata B6 – ptak, który mógłby wygodnie usiąść człowiekowi na ramieniu – ani razu nie wylądował, nie jadł, nie pił i nie przestawał machać skrzydłami, utrzymując stale średnią prędkość 48 km/h przez 24 godziny na dobę.

Na ten zdumiewający wyczyn atletyczny złożyło się wiele czynników – m.in. siła mięśni, wysokie tempo metabolizmu i fizjologiczna tolerancja na podwyższony poziom kortyzolu. Odyseja B6 to także triumf niezwykłych mechanicznych właściwości piór – tak dobrze nam znanych, a zarazem tak bardzo zagadkowych struktur biologicznych. To one utrzymywały ciepło B6 w ciągu nocnego przelotu nad Oceanem Spokojnym. To one chroniły jego ciało podczas deszczu. I to pióra tworzyły powierzchnie lotne skrzydeł, które utrzymywały B6 w powietrzu i przez 260 godzin pozwalały mu mknąć do celu.

Można by się spodziewać, że jeśli wziąć pod uwagę czas, jaki ludzie spędzili na podziwianiu, używaniu i badaniu piór, znamy już wszystkie ich sztuczki i możliwości, ale to tylko pozór. Przez ostatnie 10 lat próbowaliśmy, wraz z innymi badaczami, przyjrzeć się tym cudownym strukturom na nowo. Udało nam się dokonać wielu nowych i zaskakujących odkryć dotyczących niemal każdego aspektu ich biologii, począwszy od ich ewolucyjnego pochodzenia aż po wzrost, rozwój i aerodynamikę.

Spośród stworzeń, z którymi dziś dzielimy planetę, tylko ptaki mają pióra. Trudno więc się dziwić, że przez stulecia naukowcy uważali je za wyjątkową cechę ptaków. Jednak począwszy od lat 90. w serii sensacyjnych odkryć skamieniałości ustalono, że pióra były szeroko rozpowszechnione w kilku liniach dwunożnych, mięsożernych dinozaurów zwanych teropodami i że ptaki od nich odziedziczyły te wyjątkowe struktury. Odkrycie upierzonych nieptasich dinozaurów skłoniło badaczy do podjęcia wysiłków w celu zrozumienia pochodzenia i ewolucji piór, a zwłaszcza ich roli w narodzinach lotu. Dziś wiemy, że pióra były obecne u wielu grup dinozaurów, a początki piór sięgają prawdopodobnie wspólnego przodka dinozaurów i ich latających gadzich kuzynów, pterozaurów. Szczecina, puch oraz inne proste pióropodobne struktury prawdopodobnie zdobiły liczne dinozaury, w tym również wiele takich, których wciąż nie udało nam się znaleźć w materiale kopalnym.

Jednak pióra dinozaurów nieptasich nie ograniczały się do struktur przypominających włosie czy puch. Płaskie, szerokie, umożliwiające lot pióra, które widzimy na większości ptasich skrzydeł i znacznej części powierzchni ich ciał, nazywane są piórami konturowymi (to z nich wytwarzano przez wieki pióra do pisania). Ale i te pióra, jak się okazuje, pojawiły się przed ptakami. Istnieje cała grupa dinozaurów, obejmująca ptaki i gatunki takie, jak welociraptor, której nazwa wzięła się od tych właśnie piór: to klad pennaraptorów (penna to właśnie „pióro”). Skamieniałości wczesnych pennaraptorów pokazują, że ich ciała były pokryte pierzastymi strukturami, które na pierwszy rzut oka można pomylić z typowo ptasimi.

Zdolność do lotu tych wczesnych pennaraptorów była przedmiotem gorących dyskusji. Niektóre ich gatunki z pewnością nie fruwały, zważywszy na niewielkie rozmiary ich „skrzydeł” w porównaniu z wielkością ciała. Tym zwierzętom pióra służyły prawdopodobnie jako ozdoby, być może szczególnie eksponowane w okresie godowym. Jednak inne pennaraptory, takie jak małe, „dwupłatowe” mikroraptory zamieszkujące lasy, to trudniejszy orzech do zgryzienia. Wiele argumentów na temat ich potencjalnej „lotności” dotyczyło asymetrii piór. Po obu stronach sztywnej stosiny znajduje się tzw. chorągiewka, która u dzisiejszych latających ptaków jest wyraźnie asymetryczna: jej przednia część jest węższa niż tylna. Jest oczywiste, że asymetria lotnych piór (lotek) to przystosowanie do lotu. A ponieważ na skamieniałościach mikroraptorów i form pokrewnych można dostrzec asymetryczne lotki, niektórzy specjaliści dowodzili, że zwierzęta te były zdolne do lotu.

Niedawne badania biomechaniki lotu, w tym moje, obaliły dotychczasową wiedzę na temat asymetrii piór. Wyniki naszych prac pokazują, że kształt pióra jest w dużej mierze zoptymalizowany, aby umożliwić jego skręcanie i wyginanie w specyficzny sposób, co znacznie poprawia wydajność lotu. Sama asymetryczność piór nie ma większego znaczenia. Liczy się to, że pióro musi być asymetryczne pod względem aerodynamicznym, w stosunku wynoszącym co najmniej trzy do jednego, a więc tylna część chorągiewki powinna być trzy razy szersza od przedniej. Przy niższym stosunku pióro skręca się w sposób raczej destabilizujący lot.

Wczesne pennaraptory, takie jak Microraptor, nie miały aerodynamicznie asymetrycznych piór, co zresztą niekoniecznie oznacza, że nie mogły latać. Tendencja do skręcania się (w sposób stabilizujący lub destabilizujący lot) ma znaczenie tylko wtedy, gdy pióra są wystarczająco od siebie oddzielone. Utrzymywanie ścisłych zakończeń skrzydeł z zachodzącymi na siebie piórami sprzyja ich stabilności, nawet jeśli nie są asymetryczne. Asymetria ma znaczenie tylko wtedy, gdy ptak rozczapierza w powietrzu swoje lotki I rzędu, jak robi to wiele współczesnych ptaków drapieżnych. Tak więc mikroraptor i jego krewni prawdopodobnie mogli fruwać lotem trzepoczącym, ale kształt ich skrzydeł zapewne nie przypominał tego u dzisiejszych ptaków drapieżnych zamieszkujących lasy. W szczególności mikroraptor miał stosunkowo długie, wąskie skrzydła z połączonymi lotkami I rzędu – anatomicznie różniące się od skrzydeł krogulca czarnołbistego i innych leśnych jastrzębiowatych, choć aerodynamicznie pełniące podobne funkcje.

Analizując te odkrycia dotyczące asymetrii chorągiewek, a także nowe dane na temat wspomagających lot mięśni u dinozaurów bliskich ptakom, grupa badaczy (w której byłem starszym biofizykiem) pod przewodnictwem Michaela Pittmana z Chińskiego Uniwersytetu w Hongkongu stwierdziła niedawno, że aktywny, a więc trzepoczący, a nie ślizgowy lot prawdopodobnie narodził się wielokrotnie u dinozaurów, a tylko jedna z tych linii przetrwała do dziś pod postacią ptaków. Wyłącznie u ptaków lotki skręcają się podczas lotu w tak subtelny sposób, jaki obserwujemy dzisiaj. Ta zdolność piór do wykonywania złożonych ruchów łączy się z powstaniem rozszczepionych lotek, dzięki czemu skrzydło jest znacznie wydajniejsze przy niskich prędkościach lotu. Cecha ta sprawia bowiem, że skrzydło zachowuje się tak, jakby było dłuższe i węższe. Rozszczepienie lotek sprawia również, że końcówki skrzydeł są odporne na utratę wysokości, kiedy w wyniku zaniku kontaktu strumienia powietrza ze skrzydłami dochodzi do gwałtownego zmniejszenia ich siły nośnej. To ważna adaptacja, stanowiąca podstawę wielu akrobacji powietrznych.

Ptaki morskie, takie jak albatrosy i petrele, dzięki swoim długim i wąskim skrzydłom są mistrzami szybowania. Pojawienie się rozszczepionych lotek („palców”) na zakończeniach skrzydeł umożliwiło swobodne szybowanie ptaków o krótszych, szerokich skrzydłach, jak sępy i jastrzębie, które wykorzystują wznoszące się kolumny ciepłego powietrza zwane kominami termicznymi. Aerodynamiczne zalety tego typu zakończeń skrzydeł umożliwiają nagły wzlot takim ptakom, jak głuszce czy cietrzewie, które większość czasu spędzają na ziemi, ale – spłoszone – wzbijają się na krótki dystans w powietrze. Szczeliny na końcach skrzydeł zapewniają znacznie większą zwrotność wielu ptakom żyjącym w lasach i innych zamkniętych środowiskach niż ptakom śpiewającym. Można nawet spekulować, że łatwość manewrowania dzięki rozszczepionym lotkom umożliwiła ptakom zyskanie przewagi konkurencyjnej nad pterozaurami, a ostatecznie i przetrwanie późnokredowego wymierania.

Pióra konturowe nie są jedynym rodzajem piór, jakie mają ptaki. Pióra pokrywające różne obszary ciała różnią się także rozmiarami, kształtem i funkcją. Ich spektrum obejmuje duże, stosunkowo sztywne lotki skrzydeł, ale także drobne, delikatne pióra puchowe o zupełnie innym zastosowaniu. Pióra mają też wspólne cechy: u wszystkich spotykamy centralną stosinę i bocznie położone promienie, które w lotkach łączą się haczykami, tworząc gładką powierzchnię chorągiewki. W piórach puchowych haczyki są luźno ułożone i wiotkie, a ich funkcją jest zatrzymywanie ciepła. To tylko krańce całego spektrum – inne piorą łączą różne aspekty tych dwóch typów. Na przykład pióra konturowe, które nadają ciału opływowy kształt, mają zakończenia podobne jak u lotek i – jak w piórach puchowych – niezachodzące za siebie haczyki. Wreszcie są też pióra szczeciniaste, występujące zwykle w okolicach dzioba i oczu; pełnią one funkcje osłonowe i sensoryczne, a anatomicznie, ze sztywnymi stosinami i puchem u podstawy łączą cechy lotek i piór puchowych.

W ostatnich latach zajęto się na poważnie skomplikowanym procesem powstawania piór. Podobnie jak łuski, kolce i włosy, pióra są ściśle powiązane ze skórą. Naukowcy od dawna zdawali sobie sprawę, że powstają one ze struktur znajdujących się w skórze, pytanie tylko, w jaki sposób zwierzę może wytworzyć pióra o odmiennej budowie w różnych częściach ciała.

Wraz z moimi współpracownikami i pod kierownictwem Cheng-Ming Chuonga z University of Southern California, powiązaliśmy biologię rozwoju różnych rodzajów piór konturowych z ich właściwościami mechanicznymi. W najwcześniejszym okresie rozwoju tych piór powstaje prosta rurka, która z czasem rozpina się niczym zamek błyskawiczny, tworząc dwa płaty chorągiewki. W rozwój piór zaangażowanych jest wiele genów i cząsteczek, współdziałających ze sobą i reagujących na bodźce ze strony środowiska – rezultatem jest charakter i liczebność promieni, promyków i haczyków tworzących razem chorągiewkę, a także kształt i wielkość stosiny i ewentualnie jej wypełnienie swoistą „pianką”, która nadaje jej sztywność w stosunku do masy. W wyniku tych badań udało nam się ustalić, że różne pióra wykazują bardzo różną sztywność, różną podatność na skręcanie i różne rozmieszczenie owej pianki w stosinie. Różnice te zależą w pewnym stopniu od pracy odmiennych genów, ale większość z nich jest wynikiem zmian w sposobie regulacji genów, a więc chronologii ich włączania i wyłączania lub stopnia ich aktywności w procesie rozwoju piór.

W ostatnich czasach wzrosło też zainteresowanie inną kategorią piór – tworzących ozdobne szaty godowe wielu ptaków i służących do wabienia partnerów (a raczej partnerek) seksualnych. Te fantastyczne często twory mogą olśniewać obserwatora swoimi kolorami lub niezwykłymi kształtami i proporcjami, by wspomnieć tylko pióra tworzące grzebień i ogon samców pawi. Wedle utartych poglądów pióra te są zawsze produktem doboru płciowego, w którym ewolucją tych cech kierują preferencje jednej ze stron (zwykle żeńskiej). Dziś jednak wielu badaczy (w tym ja) zaczyna postrzegać takie pióra godowe jako efekt nie tylko działania doboru płciowego, bez istotnych i specyficznych właściwości mechanicznych, ale także złożonego kompromisu między naciskami życia społecznego a ograniczonymi przez mechanikę właściwościami materiału.

Zauważmy bowiem: długie pióra ozdobne nie rosną byle gdzie na ciele. Najczęściej występują w tylnej części tułowia i na ogonie, gdzie stosunkowo nieznacznie zakłócają lot. Spójrzmy na przykład na pięknego kwezala herbowego (quetzala), małego, kolorowego ptaka występującego w lasach mgielnych Meksyku i Ameryki Środkowej, którego pióra na ogonie mogą osiągać u samców w okresie lęgowym metr długości. Można przypuszczać, że powłóczyste kształty tych piór powstały nie tylko za sprawą doboru płciowego. Istnieją dowody wskazujące, że przynajmniej u niektórych ptaków pióra te wytwarzają pewną niewielką siłę aerodynamiczną, wystarczającą do utrzymania znacznej części ich dodatkowego ciężaru. U kwezala pióra te zatraciły zwartą strukturę i nie zachodzą już dachówkowato na siebie, dzięki czemu ich chorągiewki przepuszczają większość strumienia powietrza, nie wzmacniając znacząco siły nośnej ptaka. Takie ułożenie piór jest najprawdopodobniej przystosowaniem mającym na celu zapobieżenie destabilizacji lotu. Z pewnością te efektowne pióra podnoszą nieco koszt lotu, gdyż zwiększają opór powietrza, ale koszt ten może być mniejszy, niż dotąd zakładano.

Mikrostruktura piór godowych, zwłaszcza na ogonach, może również lepiej pełnić swe funkcje, niż dotąd uważaliśmy. Struktura piór zapewnia kompromis między wymogami sztywności, masy i kształtu. Aby skutecznie pełnić funkcje sygnałów, pióra ogonowe muszą zapewnić utrzymanie odpowiedniego kształtu, nawet jeśli ogon jest ekstremalnie długi. Nie mogą jednak być zbyt sztywne, by nie destabilizować lotu ptaka podczas porywistego wiatru lub gwałtownych manewrów. Istnieje pewien ściśle określony zakres plastyczności piór, w którego obrębie będą one wciąż mogły właściwie wypełniać funkcje ozdobne, minimalizując zarazem ewentualny szkodliwy wpływ na wydajność lotu.

Jednym z aspektów, który szczególnie mnie zafascynował, są zdolności przystosowawcze piór. W zmieniających się warunkach i pod presją ewolucyjną pióra mogą przyjmować wielorakie specjalizacje, wspomagając np. szybkość i zwrotność ptaków, ale też ich izolację cieplną lub pokazy godowe. Jednak najbardziej może fascynujące adaptacje można spotkać u sów.

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech sów są tzw. szlary. Te szerokie, półkoliste wachlarze piór wokół oczu i uszu nadają sowom ich wyjątkowy wygląd. Czaszka sowy jest w rzeczywistości dość długa i wąska, ale otaczające ją pióra całkowicie zmieniają kontury zwierzęcia. Rola szlary nie ogranicza się do zmiany wyglądu. Służy ona bowiem przede wszystkim skupianiu dźwięków i ich przekazywaniu do uszu zwierzęcia. Szlary, w połączeniu z pionowo ustawionymi uszami oraz wyjątkowo wrażliwymi strukturami ucha środkowego i wewnętrznego, sprawiają, że sowy tak dobrze potrafią określić pochodzenie dźwięku, że mogą namierzyć ofiarę, w ogóle jej nie widząc (używają jednak wzroku podczas chwytania ofiary).

Przez lata pracowałem z wieloma sowami, zwłaszcza z osobnikami przechodzącymi rehabilitację po urazach. Jedna z sów nie nadawała się do wypuszczenia na wolność, gdyż w wyniku zderzenia z samochodem została całkowicie oślepiona. Gdy jednak ktoś podrzucił jedzenie na jedną z jej żerdzi, delikatny odgłos lądującego jedzenia wystarczał, by bez trudu je odnalazła. I jeszcze jedna optymistyczna wiadomość: sowa ta wciąż była zdolna do lotu, gdyż pamiętała rozkład swego otoczenia, regularnie też wyprowadzano ją na spacery, by mogła rozprostować kości.

Ale sam wyjątkowy zmysł słuchu nie gwarantowałby sowom powodzenia, gdyby nie pewne dodatkowe korzyści zapewniane przez pióra. Inne nocne zwierzęta również cieszą się doskonałym słuchem, a szeleszczące w locie pióra sowy mogłyby jej utrudniać zbliżenie się do nasłuchującej ataku ofiary. Co gorsza, sowa mogłaby nie usłyszeć cicho pełzającego zwierzęcia, gdyby odgłosy wydawane przez jej własne pióra zagłuszały ledwo dochodzący szmer potencjalnej zdobyczy. Sowom udało się rozwiązać oba te problemy dzięki takim właściwościom piór, które czynią ich lot bezszelestnym.

Cichość sowiego lotu jest niebywała. Nawet najlepsze mikrofony na świecie, jeśli są odpowiednio skalibrowane, dokładnie wycelowane i ustawione na maksymalną czułość w cichej przestrzeni, ledwo wychwytują dźwięki lecącej sowy… czasami. Można powiedzieć, że dla nas sowy są po prostu bezdźwięczne. Nawet jeśli przelecą nisko nad naszą głową, tak że poczujemy drganie powietrza, nasze uszy nie odbiorą najmniejszego dźwięku. W ciemnej przestrzeni sowy są w zasadzie zupełnie niewykrywalne. A co ze szmerami i szelestami wydawanymi przez te ptaki, które można czasem usłyszeć na filmach, na przykład o Harrym Potterze? To już robota dźwiękowców.

Sowy osiągają tę swoją bezdźwięczność dzięki paru adaptacyjnym sztuczkom piór. Po pierwsze, ich pióra mają „aksamitną” powierzchnię, która ucisza je, gdy pocierają się o siebie. Co ważniejsze, pióra na przedniej krawędzi („krawędzi natarcia”) skrzydła mają zestaw grzebieniowatych struktur, podczas gdy te na tylnej krawędzi mają puszyste frędzle. Ów grzebień z przodu porusza powietrze w specyficzny sposób za pomocą drobnych, wirujących strumieni, które powodują, że główny strumień powietrza przylega ściśle do skrzydła. W języku zaczerpniętym z aerodynamiki można powiedzieć, że grzebienie „sprowadzają wirowość do warstwy granicznej”. Kiedy ta zmodyfikowana cyrkulacja przechodzi następnie przez frędzle tylnej krawędzi pióra („krawędzi spływu”), ostatecznym rezultatem jest ślad torowy, który nie zawiera koherentnych (spójnych) fal ciśnienia liniowego, a zatem nie wydaje żadnego dźwięku. Inaczej mówiąc, nie istnieją wibracje powstające w wyniku interakcji pomiędzy piórami a powietrzem, które mogłyby wytworzyć dźwięk.

Tego typu adaptacje sięgają korzeniami głęboko w przeszłość. Współczesne sowy należą do jednej z dwóch grup: płomykówkowatych (Tytonidae) reprezentowanych przez płomykówki i puchówki oraz puszczykowatych (Strigidae), do których należą wszystkie pozostałe sowy. Ich ostatni wspólny przodek żył co najmniej 50 mln lat temu. Ponieważ obie grupy sów charakteryzują się bezszelestnym lotem, cecha ta wywodzi się prawdopodobnie od ich wspólnego przodka. Innymi słowy, sowy przemierzają dyskretnie nocne niebo od ponad 50 mln lat.

Nic dziwnego, że niektóre z najbardziej niezwykłych adaptacji piór narodziły się u ptaków o najbardziej nietypowych specjalizacjach ekologicznych. Jednym ze sposobów, w jaki pióra mogą dostosować się do określonego stylu życia, jest zwiększenie lub zmniejszenie ich sztywności. Tak się złożyło, że cechujące się największą sztywnością pióra możemy spotkać u dwóch grup ptaków, które poza tym prawie wszystko różni: kolibrów i pingwinów.

Kolibry mają wyjątkowo sztywne pióra, będące adaptacją do nadzwyczaj wysokiej częstości i rodzaju trzepotania – metody stosowanej, gdy zawisają ponad kwiatem, z którego spijają nektar. W przeciwieństwie do większości ptaków, kolibry potrafią balansować znaczną część masy ciała podczas wznoszenia, a nie tylko opadania skrzydeł. Dzieje się tak, gdyż są w stanie całkowicie skręcać skrzydła, aż do ich pełnego obrotu. Aby ta metoda zdała egzamin, skrzydło musi się wykazywać wyjątkową sztywnością. Część tej sztywności ptak uzyskuje poprzez wzmocnienie kośćca skrzydeł, reszty dopełniają pióra z nadzwyczaj twardymi stosinami.

Nielotne pingwiny przystosowały się do życia zarówno w wodzie, jak i na lądzie. W ich upierzeniu obserwujemy niezwykłe rozwiązania, bardzo rzadkie w świecie awifauny. Niemal cała pokrywa ich ciał to gęsto upakowana mozaika drobniutkich piór. Każde z nich wykazuje znaczną sztywność, a razem tworzą zbitą okrywę skrzydeł i tułowia, zapewniającą znaczną autonomię ptaka podczas pływania. Efektem jest istotne zmniejszenie oporu wody, a co za tym idzie redukcja nakładów energii wydatkowanej na pływanie. Ciasne upakowanie piór pozwala również zatrzymywać wystarczającą ilość powietrza, aby zapewnić pewną izolację, nie powodując jednak wyporu pingwina. Resztę izolacji termicznej zapewnia warstwa tłuszczu, pomagająca ptakowi utrzymać właściwą ciepłotę ciała.

Wobec braku jakichkolwiek ograniczeń związanych z lotem, pingwiny porzuciły właściwą ptakom dbałość o ozdobny charakter piór na rzecz właściwych nurkom rozwiązań w postaci „kombinezonu” zmniejszającego opór wody i wyporność. Tego typu upierzenie stanowi kluczową część pakietu adaptacji, które uczyniły z pingwinów niekwestionowanych mistrzów nurkowania, zdolnych do schodzenia na głębokość ponad 500 m w poszukiwaniu kryla, ryb i innych morskich przysmaków.

Pióra to świetny przykład i model pozwalający zrozumieć, jak dokonywała się ewolucja złożonych struktur i jak anatomia i zachowania oddziaływały wzajemnie na siebie na przestrzeni czasu. Nic dziwnego, że nauki stosowane już dawno zwróciły uwagę na wiele cudownych cech piór, a nawet niektóre z nich udało się skopiować i zastosować.. Mechanizm przypominający rzep, który łączy haczyki piór okrywowych, jest stosowany powszechnie w codziennym życiu. Wyciszające frędzle sowich piór zainspirowały producentów systemów wentylacyjnych. Sposoby radzenia sobie piór pingwinów w wodnym środowisku przedostały się do robotyki.

W przyszłości pióra z pewnością staną się inspiracją jeszcze niejednego oryginalnego rozwiązania. Musimy tylko pozwolić naszej kreatywności wzbić się w powietrze.