Крылья - для полета

В один из октябрьских дней 1890 года над парком близ замка Арменвилье поднялось в воздух необычное сооружение, форма крыльев которого в точности воспроизводила строение крыла летучей мыши. Конструктор аппарата французский изобретатель Клеман Адер недолго ломал голову, придумывая имя своему детищу,- лучшего названия, чем «Летучая мышь», не нашлось. По тем временам полет прошел сравнительно удачно, без крупных происшествий. А через семь лет, в 1897 году, Адер, не отступая от идеи «крыла летучей мыши», построил и испытал аппарат «Авион», которому не пришлось просуществовать слишком долго - пролетев около 300 метров, он упал и разбился...

Пионером-первооткрывателем не легко быть в любом деле. Природа, однако, не делала для себя открытия, принимаясь за сотворение рукокрылых. Это была ее не первая, но, видимо, последняя удачная попытка вывести в воздух еще одну группу живых существ. Позади остались длительные и многоступенчатые опыты создания летающих беспозвоночных, рептилий, птиц. Много, ох как много времени потребовалось ей для того, чтобы обеспечить взлет каждой из этих групп животных. А сколько ненужного живого материала пришлось ей отбросить, чтобы каждый раз по-новому, учитывая специфику своих подопечных, приспосабливать их к освоению воздушного океана.

До недавнего времени происхождение рукокрылых связывали с примитивными древесными насекомоядными, которые от современных отличались укороченными мордочками и наличием перепонки между передними и задними конечностями. Перепонка вначале предназначалась для облегчения передвижения при прыжках с ветки на ветку, играла роль парашюта, давала зверькам возможность совершать планирующие прыжки-полеты. Эта перепонка в дальнейшем должна была послужить сырым материалом для образования совершенных, пригодных для настоящего полета крыльев.

Однако советский ученый К. К. Панютин, опираясь на анатомофизиологические исследования летательной перепонки рукокрылых и планирующих млекопитающих (белки-летяги), поставил под сомнение это традиционное, прочно устоявшееся мнение о происхождении рукокрылых. Он предложил совершенно иную гипотезу. Не вдаваясь в подробности, скажем только, что согласно этой гипотезе предками рукокрылых были мелкие, малоподвижные (!) млекопитающие. Эти животные подвешивались на тонких ветках снизу, наподобие ленивцев. По-видимому, они предпочитали питаться насекомыми. На первых этапах эволюции происходило разделение функций конечностей животных. Уменьшалось участие передних конечностей в передвижении и закреплении, но увеличивалась их роль в доставании, подтягивании пищевых объектов. Этому способствовало и развитие задних конечностей, обеспечивающих надежную фиксацию тела зверька под веткой в подвешенном состоянии. Позднее именно на базе удлиненных передних конечностей, как полагают, и возникли крылья рукокрылых (Рукокрылые. Сборник. М., Наука, 1980).

Устройство крыла летучих мышей сильно отличается от крыла птиц, у которых основная несущая плоскость - маховые перья, крепятся к костям предплечья. Жесткость птичьего крыла обеспечивается упругими стержнями маховых перьев. У летучих мышей удлиненные передние конечности и пальцы служат ребрами жесткости, а натянутая на них перепонка образует несущую поверхность крыльев. Перепонкой покрыты все пальцы, за исключением больших, которые значительно короче остальных четырех и, как обычные пальцы млекопитающих, имеют острые коготки. Впрочем, у многих видов крыланов когтями снабжен еще и «указательный» палец. Сзади перепонки прикрепляются к «ногам» рукокрылых, оставляя при этом свободными фаланги пальцев. Задние конечности соединены межбедренной перепонкой. Размеры и строение ее у разных семейств рукокрылых различны и могут служить систематическим признаком.

Крылья летучих мышей в полете испытывают значительные нагрузки, величина которых зависит от размеров тела зверька, относительной площади крыльев и ско­рости полета. С увеличением размеров животных и скорости их передвижения возрастает и нагрузка на крылья.

Скорость полета связана с формой крыла. Относительно высокие скорости, а вместе с тем и удлиненные крылья характерны для крупных насекомоядных, крупных и средних плодоядных, для рыбоядных рукокрылых. Эти виды летают на далекие расстояния или охотятся за насекомыми высоко над пологом леса. Совершенно противоположное наблюдается у летучих мышей, приспособившихся к полету в лесу, где большую скорость развить невозможно, да и дальние перелеты совершать нелегко. Это зверьки в основном мелкие, питающиеся насекомыми или растительной пищей.

Таким образом, потенциальная способность летучих мышей к полетам с той или иной скоростью может служить показателем приспособленности вида к питанию на участках с различным количеством препятствий для полета. Быстролетные виды охотятся обычно в открытых пространствах, а виды с медленным полетом - в пространствах ограниченных. Но если быстролеты не могут пользоваться правом охоты во владениях «медлительных», то последние, напротив, имеют возможность добывать себе хлеб насущный в тех местах, где хозяйничают их стремительные сородичи. Поэтому им порой бывает легче прожить: если не хватает пищи у себя, летят к соседям в открытые ландшафты.

Наибольшая изменчивость формы крыла характерна для подотряда кожанов и особенно для тех его представителей, которые питаются насекомыми. Ученые установили: чем уже и острее крыло, тем быстрее полет животного. Степень «узкокрылости» у летучих мышей, которая определяется путем расчетов по специальной формуле, находится почти в прямой зависимости от скорости их передвижения в воздухе.

В зависимости от сложившейся обстановки летучей мыши в полете часто приходится регулировать скорость. Это достигается благодаря изменению частоты взмахов крыльев или изменением характера полета.

Изучая способы передвижения летучих мышей в воздухе, А. П. Кузякин пришел к выводу, что можно выделить три основных типа полета. Самым обычным для рукокрылых является так называемый гребной полет. В этом случае движения крыла зверька сходны с движениями крыла птицы и напоминают чередование взмахов лодочных весел. Сначала крыло опускается вперед и вниз, а потом поднимается назад и вверх. Особую форму гребного полета представляет порхающий или трепещущий полет. Зверек при этом держится в воздухе на одном месте или перемещается по вертикали.

К порхающему полету хорошо приспособлены рукокрылые, питающиеся пыльцой и нектаром. Среди представителей нашей фауны летучих мышей техникой порхающего полета прекрасно владеют ушаны. Благодаря этому они часто отыскивают и ловят насекомых, сидящих на ветках и листьях деревьев.

Летучие мыши, как и птицы, способны к планирующему полету. Правда, они не могут парить подобно птицам в потоках восходящего воздуха. Планирующий полет у рукокрылых - это, скорее, пассивное скольжение по воздуху, сходное с тем, которое совершают белки-летяги во время прыжков. Для того чтобы спланировать, животному вначале необходимо приобрести некоторую скорость. Если летяги набирают эту скорость, отталкиваясь лапами от веток, то летучая мышь - в гребном полете. Сочетание планирующего полета с активным движением позволяет рукокрылым более экономно расходовать свои силы. При этом зверьки часто применяют скольжение по воздуху даже в ответственные моменты лова насекомых. Рыжая вечерница, например, в погоне за майским жуком, пикируя, может пролететь несколько десятков метров, а затем, ухватив добычу и используя приобретенную во время падения большую скорость, взлететь вверх.

У птиц по сравнению с летучими мышами есть в полете одно преимущество - они могут в довольно значительных пределах изменять длину и площадь крыльев, что очень удобно при пролетах на разных скоростях. Рукокрылые же почти лишены такой возможности. Это обусловлено тем, что кистевой отдел крыла летучих мышей не может подгибаться без ослабления натяжения всей перепонки.

Эта особенность крайне затрудняет планирование летучих мышей на больших скоростях. Зато рукокрылые в отличие от птиц могут свободно менять очертание профиля крыла. А такая способность незаменима при вертком маневренном полете. А. П. Кузякин укреплял легкие деревянные распорки между предплечьем и пальцами на крыльях рыжей вечерницы таким образом, что зверьки не могли регулировать профиль своего крыла. На скорости полета введение «дополнительных деталей» почти не отразилось, но животные предпочитали держаться на одной высоте и не делать резких поворотов.

Наблюдая летними вечерами за полетом летучих мышей, прежде всего поражаешься той ловкости и быстроте, с какой они искусно меняют направление своего движения. Одно мгновение необходимо зверьку, чтобы круто развернуться, взмыть вверх или войти в глубокое пике. Какие же механизмы используют они для управления полетом? Оказывается, в основном крылья.

Вспомните, как действует гребец, если ему необходимо изменить курс лодки. Для этого он делает одним веслом более сильные гребки, чем другим, или ставит второе весло перпендикулярно направлению движения, а если надо развернуться побыстрее, то гребет им в противоположную сторону.

Приблизительно то же самое проделывает при поворотах крыльями летучая мышь. Единственное, чего она не может,- отмахивать крылом в обратную сторону. Однако для нее это не помеха - торможение поверхностью одного из крыльев обеспечивает при большой скорости резкий поворот в сторону тормозящего крыла. Если зверьку необходимо подняться выше, он сдвигает крылья несколько вперед относительно своего тела. Передняя часть туловища при этом испытывает большую подъемную силу, чем задняя, и животное выруливает кверху. Чтобы опуститься, зверек проделывает обратное движение - смещает крылья назад.

Еще один элемент пилотажа рукокрылых - торможение. Разные группы летучих мышей используют для торможения различные приемы. Медленно летающие крыланы и листоносы притормаживают крыльями. Зверьки других видов для замедления полета применяют межбедренную перепонку, изгибая ее при помощи ног в виде тормозящего мешкообразного приспособления.

Говоря о способах взлета летучих мышей, нельзя не привести выдержку из работы А. П. Кузякина: «Прикасаясь к висящим вниз головой и погруженным в дневной сон длиннокрылам, поражаешься быстроте и однообразию реакции на это прикосновение. Первое движение, какое производит зверек,- отрыв от шероховатости, за которую он держался когтями. До какого бы числа зверьков ни дотронуться, каждый из них в момент прикосновения падает вниз. Это не особенность отдельных особей, а, видимо, исторически выработавшийся и свойственный всем особям данного вида рефлекс. Этим, вероятно, и объясняется, что длиннокрылы подвешиваются исключительно на потолки или полого наклонные своды и никогда не встречаются на отвесных стенах, нишах или в узкой щели. Под висящим зверьком непременно должно быть значительное воздушное пространство. Тело, упавшее от прикосновения вниз, некоторое время (десятые доли секунды) падает в том положении, в каком находилось в состоянии покоя, и только потом происходит быстрое развертывание крыльев, опираясь на которые животное может некоторое время планировать или сразу войти в такт гребного полета» (Линдблад Я. В краю гоацинов. М., Знание, 1976).

Итак, один из типов взлета - сначала пассивное падение, затем полет. Техника второго способа иная. Первый взмах крыльями зверек производит еще до того, как его ноги оторвутся от места подвешивания. После этого он освобождает ноги и уже со второго взмаха начинает нормальный полет.

Часто некоторым летучим мышам, например вампирам или ушанам, приходится стартовать с ровной горизонтальной поверхности. В этом случае зверьку необходимо вначале подпрыгнуть вверх. У рукокрылых задние конечности слабы, и поэтому толчковым механизмом для них служат не «ноги», а «руки», то есть крылья.

Летучие мыши, попавшие по каким-либо причинам в воду, обычно не теряются в этом неловком положении. Удар крыльями по воде подбрасывает зверька вверх, и если этот удар был достаточно сильным и прыжок получился высокий, то в следующий момент животное успевает сделать взмах крыльями в воздухе и продолжает прерванный полет.

Обычно рукокрылые избегают посадки на поверхность, земли. Но некоторым из них приземление необходимо в процессе охоты. Так поступают пустынные гладконосы вампиры, новозеландские летучие мыши.

Многие крыланы предпочитают садиться только на торчащие ветки деревьев. Исключение составляют лишь те крыланы, которые прячутся в пещерах.

Для подавляющего большинства настоящих летучих мышей бывает достаточно самой незначительной неровности, чтобы крепко уцепиться и повиснуть на ней. Поворот зверька вниз головой при посадке обычно происходит еще до того, как когти ног закрепятся на выбранном месте. Можно только изумляться удивительной ловкости подобного аттракциона. А. П. Кузякин описывает, с какой стремительностью осуществляет посадку вечерница, возвращаясь в свое дневное убежище - дупло дерева. При этом создается впечатление, что зверек, складывая крылья, проскакивает в небольшое отверстие дупла, пользуясь силой инерции полета.

Полет требует от животного больших затрат энергии. Эта энергия получается при «сгорании» веществ, доставляемых к мышцам с током крови. «Топливо» должно прибывать в мышцы постоянно и в большом количестве, поэтому важное значение имеет интенсивность работы сердца зверька. Сердце у рукокрылых довольно крупное, его относительные размеры - так называемый сердечный индекс - близки к индексу сердца быстролетных птиц - ласточек и стрижей.

Для изучения полета рукокрылых зоологи используют самые разнообразные методы. В первую очередь применяется кино- и фотосъемка. Анализируя отснятые кадры, очень удобно рассчитывать частоту работы крыльев зверька и скорость его передвижения. Оказывается, что большая ночница, например, способна в одну секунду делать 11 -12 взмахов крыльями, малый подковонос - 16-18, а пальмовый крылан - только 7 полных взмахов в секунду.

В лабораторных условиях скорость полета летучей мыши можно определить, если выпустить зверька в достаточно освещенную большую вольеру и затем следить за его перемещением, отмечая траекторию на специальном, заранее вычерченном в определенном масштабе плане вольеры. При этом необходимо также с помощью секундомера засекать время. Чтобы зверек чувствовал себя спокойно на таком необычном «стадионе», надо предварительно в течение нескольких ночей приучить его к вольере, давая возможность охотиться в ней за насекомыми. Скорость полета животного легко рассчитать, поскольку и расстояние и время будут известны.

Весьма простым и оригинальным способом определяли ученые скорость полета длиннокрылое и остроухих ночниц, обитающих в Бахарденской пещере в Туркмении. Основан он на том, что если пойманных зверьков вынести из пещеры на некоторое расстояние и выпустить, то многие из них сразу же стремятся возвратиться в свое убежище. Здесь остается только засекать, как это делается на легкоатлетических соревнованиях, время старта и финиша.

Все эти способы позволяют определять, как правило, некую «нормальную» среднюю скорость передвижения. А вот оценить потенциальные способности к передвижению на разных скоростях такими методами, пожалуй, не удастся. Тут на помощь приходит... аэродинамическая труба, с помощью которой можно регулировать условия полета. Создавая разную скорость воздушного потока в трубе, можно проследить особенности полета. Но не так просто заставить животных летать в непривычной для них обстановке. В одном из опытов потребовалось ни больше ни меньше как полгода, чтобы приучить летучую собаку безбоязненно относиться к искусственному «ветерку». Причем надо заметить, что из шести зверьков удалось натренировать лишь одного, да и тот больше минуты летать отказывался.

Путем «обдувания» в трубе были выяснены потенциальные скорости полета малых бурых ночниц (4,5-7,7 метра в секунду), пальмовых крыланов (до 4-5 метров в секунду) и многих других рукокрылых.

Существует еще немало интересных способов наблюдения за полетами летучих мышей. Известный шведский исследователь и путешественник Ян Линдблад рассказывает: «На каждое животное крепили крохотную лампочку, чтобы проследить, куда они полетят. Но даже в бинокль уследить за искусственными светлячками было очень трудно, и тогда лампочки заменили миниатюрными радиопередатчиками. Груз оказался вполне посильным, недаром мамаши этого вида носят по два детеныша на себе» (Кузякин А. П. Летучие мыши).

Иногда ученые применяют для той же цели хемолюминесцентный состав. Обычно это смесь из двух жидкостей - излучателя и активатора. Соединение этих жидкостей вызывает свечение в течение 1-2 часов. Излучатель и активатор заправляют в маленькие стеклянные шаровидные баллончики, которые затем приклеивают к телу летучей мыши. По свидетельству американского ученого Эдварда Бухлера, в ясные безлунные ночи люминесцирующая метка диаметром около сантиметра и весом чуть меньше грамма хорошо видна на расстоянии до 400 метров.

Кстати сказать, подобные конструкции меток применяются и для наблюдения за другими мелкими ночными животными, но не всегда удачно. Подопытные летяги, к примеру, не желают мириться с присутствием у себя на теле странных предметов и срывают их. Но ученые не отчаиваются и поговаривают даже о возможности мечения такими метками крупных ночных бабочек-бражников.

Использование миниатюрных радиопередатчиков часто ограничивается размерами объекта наблюдения и целесообразно только при наблюдении за крупными рукокрылыми. Ведь у них и грузоподъемность больше и маршруты нередко длиннее.

Интересные эксперименты проводят ученые, исследуя изменения обмена веществ у летучих мышей в полете. Эти работы также не обходятся без применения аэродинамической трубы. Только сама постановка опыта здесь сложнее. Зверьков надо приучить летать со специальными надетыми на морду масками, так как об интенсивности метаболизма судят по изменению газообмена животных. Для этого выдыхаемый воздух пропускают через газоанализаторы и определяют содержание в нем кислорода и углекислого газа. В опытах с большими листоносами и летучими лисицами удалось установить, что максимальная интенсивность метаболизма у рукокрылых в полете очень сходна с таковой, рассчитанной для птиц того же веса, но в два-три раза превышает наибольший уровень газообмена активных наземных млекопитающих. Впрочем, это вполне понятно: летать, как говорится, - не ползать.

Исследователи часто не ограничиваются надеванием масок своим подопечным. Они прикрепляют к животным целые системы датчиков со множеством отходящих от них тонких проводков. При помощи этих датчиков узнают об изменениях температуры тела зверька в полете, частоты работы сердца и ряда других физиологических параметров.

Наблюдения за большими листоносами показали, что первые две минуты полета температура тела возрастает. Достигнув определенной величины, близкой к 42°С, она остается постоянной в течение всего полета. Учащение частоты дыхания и ритма работы сердца происходит очень быстро, за несколько секунд. Далее эти показатели также не меняются. Расход энергии организма летучей мыши увеличивается в полете по сравнению с состоянием покоя почти в 30 раз.

Хорошо, когда высотный потолок невелик и животные летают низко. Но некоторые виды летучих мышей предпочитают летать чуть ли не в заоблачных высотах. Правда, такие полеты малопригодны для охоты и применяются главным образом только при длительных перелетах или миграциях. Африканские пальмовые крыланы совершают регулярные кормовые кочевки на высоте около 200 метров. Однако рекордсменами по части высотных полетов являются бразильские складчатогубы. Вылет и прилет зверьков на дневку происходит большими стаями на высоте от полукилометра до 3 километров.

Как же быть в таких случаях, как вести наблюдения за животными? Светящиеся метки здесь явно не помогут. Если учесть, что дальность полетов составляет десятки километров, то не слишком приходится рассчитывать на радиопередатчики. Но все же выход был найден. На помощь призвали современные технические средства - аэродромные радары и метеолокаторы. А чтобы собственными глазами увидеть размеры и структуру летящей стаи, исследователи поднимаются в воздух на вертолетах, оснащенных мощными прожекторами.

Рукокрылые могут передвигаться не только с помощью крыльев. Не все и не всегда, но могут. Подковоносы, например, совершенно беспомощны на горизонтальной поверхности. Их жизнь проходит либо в полете, либо в подвешенном состоянии. С другой стороны, многие виды летучих мышей способны не только быстро бегать (вспомните вампиров), но и уверенно лазать по веткам деревьев, отвесным стенам и даже неплохо плавать.

Передвижение по твердому субстрату бывает необходимо для летучих мышей в трех случаях. Во-первых, когда молодые особи еще не способны к самостоятельному полету. Во-вторых, когда нужно занять удобную для взлета позицию. И, наконец, в тех случаях, когда хождение является адаптацией к определенному способу питания. Основную роль при передвижении по твердой поверхности играют передние конечности. Ноги же служат лишь опорой для задней части тела.

Американские ученые наблюдали поведение нескольких видов летучих мышей при хождении. Для этого зверьков сажали на лист картона, покрытый закопченной бумагой. Для опытов отобрали листоносов, складчатогубов, пустынных гладконосов. Из всех видов самыми способными оказались гладконосы, которые и в природе наряду с ловлей насекомых в воздухе часто охотятся на земле. Гладконосы продемонстрировали разнообразные типы шагов, аллюров и положений тела. Большинство взрослых листоносов было не в силах сделать даже одного шага, в то время как юные зверьки, совершенно не умеющие летать, вели себя на «беговой дорожке» куда более активно.

Пешеходные способности, несомненно, имеют некоторое значение в жизнедеятельности рукокрылых. Но не будет преувеличением сказать, что полет для рукокрылых - это сама жизнь. О том, насколько физиологически важен процесс полета, позволяют судить опыты содержания летучих мышей в неволе, когда они были лишены возможности летать. У позднего кожана при недостатке движения возникали опухоли на местах соединения суставов на запястьях. Перепонка на «пальцах» рыжей вечерницы теряла эластичность и становилась хроническим очагом воспаления. По этой причине в условиях гиподинамии погибал каждый третий зверек.

Такие печальные результаты опытов над «собратьями нашими меньшими» еще раз дают повод для размышления над тем, как в наш век больших скоростей может влиять и на человека недостаток движения.