Sto tysięcy pokoleń?

Wiedza o budowie, wyglądzie i rozmiarach prehistorycznych owadów oparta jest głównie na wynikach badań paleontologicznych i geologicznych. Odnaleziono tysiące skamieniałości owadów i dzięki temu mamy o nich jako takie pojęcie. Niestety, na wiele pytań dotyczących praważek czy innych owadów dotąd nie ma i pewnie nie znajdziemy w pełni wiarygodnych odpowiedzi.

Oto steszczenie artykułu, który przystępnie omawia wyniki badań naukowych dotyczących ewolucyjnej zmiany rozmiarów ssaków po wymarciu dinozaurów (ok. 65 milionów lat temu). Ciekawe, czy były możliwe (i czy rzeczywiście miały miejsce) analogiczne zmiany rozmiarów innych organizmów, w tym owadów?  W każdym razie artykuł wydał mi się interesujący i zainspirował do poszukiwań pewnych informacji.

Badania naukowców wykazały, że potrzeba aż 24 milionów pokoleń, by zwierzę wielkości myszy zwiększyło swe rozmiary do wielkości słonia. Stwierdzono też (było to zaskakujące), że ssaki morskie (np. wieloryby) analogicznej zmiany rozmiarów dokonały dwukrotnie szybciej. Zaznaczyć należy, że jako jednostkę pomiaru wzięto nie lata, lecz pokolenia - chodziło o to, by możliwie miarodajne porównać gatunki zwierząt o różnej długości życia. Na tym, zresztą, polegała wyjątkowość tych badań, ponieważ większość dotychczasowych koncentrowała się na mikroewolucji, drobnych zmianach zachodzących w obrębie gatunku.

Skrzydło ważki pod mikroskopem

Konstrukcja skrzydeł ważki to majstersztyk: cztery skrzydła przeciętnej ważki ważą razem tylko pięć tysięcznych grama (0,005 g). Te cieniutkie, u przeważającej większości gatunków, przezroczyste powierzchnie nośne stanowią mistrzowskie osiągnięcie w dziedzinie budowy konstrukcji lekkich. Gdyby wyobrazić sobie skrzydła ważki jako dużą powierzchnię, wówczas 1 m² takiej powierzchni ważyć będzie zaledwie 3 gramy. Dla porównania folie z tworzywa sztucznego (np. poliamid czy poliester) o takiej samej grubości, ważą 2 do 3 razy więcej (0,010-0,015 g).

Optymalna konstrukcja ważek (w znaczeniu poruszania się w powietrzu) przejawia się także w proporcjach ich wielkości i wagi. Inżynierowie lotnictwa, opisując ciało w locie, posługują się tzw. liczbą Reynoldsa. Liczba ta mówi jak na prędkość i wielkość latającego ciała oddziałuje wpływ lepkości otaczającego powietrza (w lepszym zrozumieniu czym jest liczba Reynoldsa może pomóc ten wpis).

Dla dużego ptaka owa właściwość (lepkość) powietrza nie odgrywa prawie żadnej roli, dla owadów jednak tak. Lepkość powietrza jest dla małych owadów tak istotna, że właściwie w ich przypadku trzeba mówić o pływaniu w „gęstym” powietrzu, a nie o locie. Z powodu małej liczby Reynoldsa muszą one, w porównaniu z dużymi owadami, uderzać skrzydłami o wiele częściej, by uzyskać ciąg do przodu. Jednak ważki bez trudu osiągają szybkość rzędu 40 km/h machając skrzydłami ok. 30 razy/s. Również w trakcie powolnego lotu uzyskują wystarczającą siłę wyporu w opływającym ich skrzydła strumieniu powietrza.

Regulator przepływu optycznego owadów

W jaki sposób owady latające utrzymują wysokość lotu, jakie sygnały wizualne wykorzystują podczas startu, lotu i lądowania? Wyjaśniono to kilka lat temu przy pomocy specjalnie skonstruowanego latającego robota.
Owady (a także ptaki i nietoperze) potrafią kontrolować swą wysokość ponad ziemią, mimo że nie dysponują skomplikowanymi przyrządami dostępnymi dla pilota-człowieka. Francuscy naukowcy zaprojektowali mikro helikopter by sprawdzić teorię, według której owady wykorzystują układ znany jako "przepływ optyczny" do uzyskiwania informacji na temat swojej wysokości nad ziemią.
Kiedy owad leci w jego polu widzenia obraz ziemi pod nim ucieka do tyłu z szybkością, która jest odwrotnie proporcjonalna do wysokości, na jakiej leci on nad ziemią. Czyli na niewielkich wysokościach ziemia wydaje się "poruszać" szybciej niż wówczas, gdy obserwuje się ją z większych wysokości.

Przepływ optyczny wyraża długość odcinka, o jaki zdaje się przemieszczać względem poruszającego się obserwatora nieruchomy obiekt. Najbliższe dla obserwatora obiekty mają znacznie większy przepływ optyczny niż te znacznie bardziej od niego oddalone.

Badacze wysunęli hipotezę, że owady mają wewnętrzny regulator przepływu optycznego, w którym wykorzystywana jest pętla informacji zwrotnej do oceny stosunku prędkości względem ziemi do wysokości i wyposażyli swój mikro helikopter właśnie w tego rodzaju układ działający w następujący sposób: gdy ziemia poniżej "ucieka" zbyt wolno, owad będzie zniżał lot do momentu, w którym ta prędkość jest optymalna, zgodnie ze wskazaniami jego regulatora przepływu optycznego; natomiast jeżeli ruch ten jest zbyt szybki, owad będzie się wznosił.
Robot (o wadze 100 g) naśladował wiele elementów zachowań owadów podczas lotu, które dotąd zaobserwowano. Na przykład migrujące motyle, które muszą przekroczyć kanion, nie fruną po prostu górą w poprzek kanionu, lecz najpierw lecą w dół wzdłuż jednej ściany kanionu, następnie nad dnem i potem znowu w górę wzdłuż drugiej ściany. Podobnie jest w przypadku pokonywania takiej przeszkody jak las - wysokość, na której motyle lecą ponad drzewami jest taka sama, jak wcześniejsza wysokość nad ziemią.

Jak rozpoznać samicę ważki?

Cechy płciowe samic widoczne z boku to... ewidentny brak wtórnego aparatu kopulacyjnego (na drugim segmencie odwłoka po stronie brzusznej)  :-) . Inną cechą jest ewentualna obecność pokładełka (zróżnicowanego kształtu i wielkości w zależności od gatunku) znajdującego się od spodu w końcowej części odwłoka. U niektórych ważek jest ono bardzo wydatne, u innych np. samic szablaków w ogóle nie występuje (na zdjęciu powyżej samica szablaka wędrownego [wiosennego]).
  
Pokładełko służy do nakłuwania np. liści, na których samica składa jaja (na jego spodniej części). W przypadku szablaka krwistego składanie jaj odbywa się w locie (bez nakłuwania roślin).
Podobno w ten sposób składają jaja wszystkie samice z rodziny ważkowatych, a w więc następujące rodzaje (dot. występujących w Polsce):

• Ważka Libellula,                                (3 gatunki)
• Lecicha Orthetrum                            (4 gatunki)
• Zalotka Leucorrhinia                         (5 gatunków)
• Szafranka Crocothemis                      (1 gatunek)
• Szablak Sympetrum)                          (9 gatunków)

Pokładełko (ovipositor, terebra) – narząd spotykany u wielu owadów, pajęczaków i niektórych ryb. Samicom służy do składania jaj do otworów w drzewie, mchu, zagłębień w ziemi oraz w ciałach innych organizmów.
Pokładełko rzeczywiste to sztywny i długi twór powstający z przysadek pierścieni odwłokowych, często wystający poza koniec ciała samicy (np. u koników polnych). Występuje m.in. u skoczogonków, jętek, ważek i prostoskrzydłych.

W przypadku ważek nieskładających jaj w tkanki roślinne, lecz zrzucających jaja na wodę lub ziemię (jak np. szablaki) często występują chitynowe płytki osłaniające ujście dróg płciowych.

Jak rozpoznać samca ważki z boku?

Początkowo ocena płci sfotografowanych ważek wydawała mi się zadaniem nierealnym, ale teraz zaczynam dostrzegać już istotne szczegóły. Nie ma problemu jeśli widać ważkę z boku - od spodu na drugim segmencie odwłoka (tuż za tułowiem)  znajduje się wtórny aparat kopulacyjny samca. Wystaje wyraźnie.

Wszystkie odwłoki ważek, niezależnie od płci, zakończone są przydatkami analnymi, ale na odwłokach samców dodatkowo występuje pierwotny i wtórny aparat kopulacyjny - dwa aparaty to wyjątek wśród owadów.

Aparat pierwotny samca znajduje się pod spodem odwłoka między ósmym a dziewiątym segmentem (prawie na końcu) i czasem jest niewidoczny, gdy patrzymy z boku. To tam wytwarzana jest sperma, którą samiec przenosi tuż przed kopulacją do aparatu wtórnego.

Wtórny aparat kopulacyjny (kształt odmienny i charakterystyczny dla każdego gatunku - zawsze widoczny) to miejsce, z którego samica pobiera spermę podczas kopulacji. Nie stwierdzono dotąd, by w wyniku kopulacji między partnerami różnych gatunków występowało powstanie krzyżówek. Przyjmuje się, że narządy kopulacyjne samca danego gatunku pasują tylko do narządów płciowych samicy tego samego gatunku, jednak z pewnością znaczenie kluczowe mają geny.
Podczas kopulacji samiec wykorzystuje swoje narządy analne, którymi chwyta samicę (za potylicę), a następnie przytrzymuje podczas kopulacji, a później także podczas składania jaj. Zatem kształt narządów analnych samców jest inny u każdego gatunku.

Prehistoryczne ważki

Skamieniałość późnojurajskiej ważki Cymatophlebia longialata, Niemcy (Solnhofen)
autor zdjęcia Dr. Alexander Mayer

Chciałabym wiedzieć jak teoria ewolucji wyjaśnia pochodzenie ważek. Niestety, dostępne źródła nie zaspokajają mej ciekawości. Oto, czego dowiedziałam się o ich historii.
Protodonata (praważki) pojawiły się w karbonie jakieś 320-325, a może i 350 milionów lat temu.  Najstarsze (odnalezione) skamieniałości praważek odciśnięte w węglu kamiennym datowane są na 320 milionów. Pod względem budowy praważki różniły się od współczesnych kilkoma szczegółami:

• wielkość ciała tych największych dochodziła do 43 cm, rozpiętość skrzydeł do 75 cm (największa współcześnie żyjąca ważka równoskrzydła Megaloprepus caerulatus ma 12(?) cm długości i 19 cm rozpiętości skrzydeł)
• waga dochodziła do 150 g
• skrzydła słabiej użyłkowane, bez pterostigm i węzełków; brak możliwości złożenia
• nieco inna budowa nóg, 
• znacznie mniejsze, słabiej rozwinięte oczy
• dłuższe czułki

Poza tym proporcje ciała i ogólny wygląd bardzo przypominają te współczesne.

Ważki od zawsze były drapieżnikami, w okresie karbonu nie miały żadnej konkurencji w powietrzu (wówczas nie było jeszcze ptaków).

Głowa i szyja szablaka

Oprócz znanych powszechnie funkcji jakie pełni głowa owada, w której "skład" wchodzą narządy zmysłu (oczy, przyoczka, czułki, włoski), mózg, narząd gębowy itd., głowa u ważek różnoskrzydłych pełni jeszcze pewną rolę w czasie rozrodu. Podobno kształt potylicy (occiput)) jest charakterystyczny i dopasowany do kształtu narządów analnych samca tego samego gatunku...
Na razie nie będę zagłębiać się w ten temat (jako zbyt odległy od głowy) - zajmę się nim przy innej okazji, gdy zdobędę więcej informacji oraz odpowiedzi na już nurtujące mnie pytania.

Co można powiedzieć o głowie szablaka?

•  jest dobrze wykształcona i bardzo ruchliwa                     (co widać na filmie)
•  wyposażona w parę bardzo dużych oczu złożonych (ok. 30 tysięcy sześciokątnych fasetek). Na szczycie głowy oczy stykają się ze sobą na krótkim odcinku
•  wyposażona w trzy czarne przyoczka (oczy proste) rozmieszczone po jednym  na bokach ciemienia i jedno na środku pomiędzy ciemieniem a czołem
• wyposażona w parę krótkich szczecinkowatych antenek (czułków) umieszczonych tuż pod bocznymi przyoczkami, u "zbiegu" ciemienia, czoła i oka złożonego (u innych gatunków ważek przyoczka i antenki bywają inaczej rozmieszczone!)
• u większości szablaków występuje czarny szew pomiędzy okiem złożonym a czołem 
• szablaki, podobnie jak i inne ważki posiadają aparat gębowy gryzący (ortopteroidalny) o mocnej konstrukcji – typ najbardziej pierwotny (nic dziwnego, skoro ważki są tak "starymi" owadami)
• typ ułożenia głowy ze względu na jej ustawienie w stosunku do podłużnej osi ciała: ortognatyczny (gr. orthos – prosto; gnathos – szczęka) – otwór gębowy skierowany prostopadle ku dołowi, niewystający do przodu, płaszczyzna czoła tworzy z główną osią ciała kąt prosty
• na czole i ciemieniu (części "twarzowej") znajdują się włoski czuciowe

Więcej szczegółowych informacji o budowie m.in. aparatów gębowych, typach ułożenia głowy owadów znajduje się tutaj.