Schopnost ptáků vznést se do vzduchu byla obrovskou evoluční inovací, díky níž se stala tato skupina obratlovců neuvěřitelně úspěšnou. Jak vypadaly první váhavé pohyby jejich přímých předků ze skupiny dinosaurů ve vzduchu?

Vědci z univerzity v americkém Berkeley se rozhodli hledat odpověď na tuto prastarou otázku prostřednictvím robota vlastní konstrukce.

O tom, jak a proč vznikly letecké schopnosti ptáků, se v odborných kruzích vedou debaty již celá desetiletí. Rozhodnutí mezi řadou dílčích teorií však není snadné – vědci se musejí spoléhat na nepřímé důkazy získané ze studia fosilií, pohybu dnešních ptáků a teoretických modelů převzatých od kolegů, kteří se věnují konstrukcím letadel.

Inženýři z prestižní univerzity v kalifornském Berkeley Ronald Fearing a Kevin Peterson se původně nevěnovali letadlům, ale práci na robotovi pro potřeby americké armády. Jejich spojení s paleobiologem Robertem Dudleyem ze stejné univerzity však přineslo nečekané ovoce!

Na stromě, či pod stromem?

Než se však dostaneme k tomu, jaká kouzla provádějí kalifornští vědci se svými roboty, proveďme si nejprve malé repetitorium. Dnes mezi vědci prakticky nikdo nepochybuje o tom, že ptáci jsou potomky některé ze skupin dinosaurů (pravděpodobně ze skupiny Maniraptora).

V této skupině se vyskytovali jak formy obřích rozměrů (např. známý tyrannosaurus), tak formy drobnější, specializované buď na život ve větvích stromů, nebo pod nimi.

Od toho, zda byli první letci formami původně spíše stromovými či pozemními, se také odvíjejí základní teoretické scénáře pro průběh evoluce letu.

První, a dlužno říci že starší, a proto již téměř učebnicová teorie říká, že let ptáků začal původně jako plachtění z korun stromů směrem dolů. Podporu pro takovou představu nalezneme i u mnoha současných živočichů, kteří obývají korunové patro pralesů, ať již savců, plazů či obojživelníků.

Ze země vzhůru

Představa, že se ptáci „naučili“ létat plachtěním z korun stromů, má i své paleontologické opodstatnění. Např. veleznámý primitivní prapták archeopteryx měl kromě peří stále dobře vyvinuté pohyblivé prsty, což mu teoreticky umožňovalo kombinovat lezení s létáním (dnes se tento rys zachoval jen u mláďat jihoamerických stromových ptáků hoazinů).

Plachtění archeopteryxů a dalších praptáků z korun stromů dolů by však nebylo možné, nebýt jedné ze zásadních evolučních novinek, která se zřejmě poprvé objevila u některých skupin teropodních dinosaurů.

Tím je pochopitelně existence peří, které nejspíš původně sloužilo zejména k termoizolaci.

Menší a opeřené druhy teropodů žily nejen na stromech, ale i pod nimi. Při jejich honech za hbitou potravou se jim tak snadno mohlo stát, že během udržování rovnováhy pomocí roztažených horních končetin se díky peří vytvořil potřebný vztlak, a dinosaurus se tak vznesl nad zem (viz box Případ orebice čukar a bojovní dinosauři).

Šestinohý počátek

Jak tedy situaci, kdy je k dispozici několik soupeřících hypotéz, smysluplně rozřešit? Spoléhání na šťastný paleontologický nález dobrým řešením jistě není – nemluvě také o tom, že i velmi důležitá fosílie může být špatně interpretována.

Další možností je teoretické modelování ve virtuálním prostředí. Sebelepší model má však tu chybu, že je vždy jen modelem, který se nemusí příliš potkávat se skutečnou situací. Kalifornští inženýři proto sáhli po modelu zcela nevirtuálním.

Jako východisko použili zařízení, které bylo již vytvořeno pro armádní zakázku. Jeho jméno, DASH, ukrývá zkratku „dynamického, autonomně se pohybujícího šestinohého robota“.  Pro účely svého experimentu přidali robotovi pár pohyblivých křídel, a stvořili tak variantu, které začali přezdívat jednoduše DASH+Wings (DASH+křídla).

Takový robot může dát nejen odpověď na palčivé otázky paleontologů a evolučních biologů, ale v případě zdaru také posloužit svému původnímu účelu, tedy zapojit se jako vyzvědač do služeb armády.

Pokusy s hybridním robotem

Jelikož museli vědci otestovat řadu nejrůznějších předpokladů, získal hybrid DASH+Wings skutečně pestré portfolio úkolů. Jelikož jeho hlavním úkolem bylo ověřit, jaký efekt má zapojení křídel pro pohyb po zemi, nechávali jej vědci pohybovat se nejprve bez křídel.

Poté křídla připojili a nakonec ještě nechali robota, aby jimi mával. Plocha, po níž se robot pohyboval, byla nejprve vodorovná, později začali vědci její sklon postupně zvyšovat a snižovat.

Dalším úkolem pro něj byl „skok“ přes hranu stolu v plné rychlosti, který měl simulovat odraz hypotetického praptáka k jeho plachtění mezi větvemi stromů.  Ve všech situacích monitoroval rychlost robota zabudovaný akcelerometr, z vnějšku pak jeho pohyb snímala vysokorychlostní kamera.

Na závěr vědci ještě prověřili vztlak a tah různých kombinací (tedy robota bez křídel, se složenými a mávajícími křídly) v aerodynamickém tunelu.

Konečný verdikt

Takto komplexní testy nakonec přinesly velmi zajímavé výsledky. Ze srovnání všech typů pohybu jednoznačně vyplynulo, že jestli něco vylepšuje efektivitu schopnosti robota jak na zemi, tak ve vzduchu, pak je to lehké mávání křídly. Stačilo by však mávání křídly na zemi k tomu, aby se prapták vznesl do vzduchu?

Podle kalifornských inženýrů nikoliv. I když se rychlost robota na zemi zvýší, na vzlétnutí to stále ještě nestačí. S pomocí mávání křídel se sice rychlost zvýšila prakticky o 90 % (z 0,68 na 1,29 m/s), na vzlétnutí by však bylo třeba navýšení o celých 400 %.

„Poprvé v historii se podařilo přinést nepřímý experimentální důkaz, že evoluce ptačího létání pravděpodobně probíhala podle tradičnějšího scénáře. Počátky letu je podle nás třeba hledat v plachtění ze stromů dolů,“ neskrývá nadšení z poměrně jednoznačných výsledků Ronald Fearing. Autoři sice správně zdůrazňují, že jde o důkaz nepřímý. Ale ruku na srdce – nepřipadá i vám skutečně přesvědčivý?

Případ orebice čukar a bojovní dinosauři

Ve vědě se jen málokdy stane, že by vědci nepřišli se skutečně přepestrým množstvím nejrůznějších teorií, které původ nějakého jevu vysvětlují. Zajímavé alternativy existují pochopitelně i ke dvěma nejběžnějším scénářům evoluce ptačího letu.

Jedna z teorií plachtění počítá také s pohybem ptáků na stromech a vychází z pozorování kuřat hrabavých ptáků orebic čukar (Alectoris chukar), kteří žijí v pásu od severní Afriky, přes jihovýchodní Evropu a Arabský poloostrov až po východ Číny.

Když jsou tato kuřata vyrušena, vybíhají po šikmých kmenech stromů do bezpečné koruny, přičemž si při běhu vypomáhají křídly. Někteří vědci spekulují, že při takovém prudkém úprku před nebezpečím by se teoreticky mohla vyvinout rychlost nutná pro vzlétnutí.

Řada alternativ existuje však i k teorii „ze země vzhůru“. Podle jedné z nich se silná opeřená křídla vyvinula původně jako zbraně, využívané v soubojích s jinými samci o přízeň samic. Další teorie zase říká, že křídla původně napomáhala pohybu po vodě podobným způsobem, jakým se dnes dokážou po hladině pohybovat američtí ještěři bazilišci.

Mikroraptor z uretanové pěny

Kalifornští experti z univerzity v Berkeley pochopitelně nebyli jedinými vědci, kteří se v poslední době pokusili o rekonstrukci prvních „krůčků“ praptáků ve vzduchu. Se svou troškou do mlýna přišli v roce 2010 i biomechanik David Alexander z univerzity v Lawrence v americkém Kansasu ve spolupráci s paleontology z univerzity v Šen-jang v Číně.

Společnými silami stvořili realistickou kopii mikroraptora, dinosaura ze spodní křídy objeveného na území dnešní severovýchodní Číny (provincie Liao-ning).

Tento drobný dinosaurus z čeledi Dromaeosauridae (tedy skupiny, o níž se uvažuje buď jako o přímých předchůdcích, či alespoň blízkých příbuzných ptáků), byl jedinečný tím, že měl „křídla“ i na zadních nohách.

Model tohoto ještěra, vyrobený z kombinace drátů, uretanové pěny a peří z bažantů, házeli jako vlaštovku z různých výšek a sledovali, jak by si živý ještěr s plachtěním poradil. A jejich závěry? „Mikroraptor byl v plachtění velmi obratný.

Klouzání ze stromu na strom mu nečinilo velké obtíže,“ dodávají váhu teorii plachtění autoři výzkumu.