Odkryto, że skrzydła ptaków ewoluowały nie tylko do lotu

Rewolucyjne odkrycie międzynarodowego zespołu naukowców z USA i Wielkiej Brytanii przewraca do góry nogami dotychczasowe teorie na temat ewolucji ptasich skrzydeł. Badanie opublikowane w czasopiśmie Global Ecology and Biogeography potwierdza, że długość kości skrzydeł ptaków podlega regule Allena - im cieplejszy klimat, tym dłuższe kończyny. To odkrycie sugeruje, że skrzydła ptaków ewoluowały nie tylko w odpowiedzi na wymagania lotu, ale również w celu efektywnej termoregulacji.

Przełomowy system komputerowego przetwarzania obrazu o nazwie Skelevision wykorzystuje sztuczną inteligencję do automatycznego identyfikowania i mierzenia kości ptaków na podstawie fotografii. Innowacyjne podejście łączące sprzęt i oprogramowanie skraca czas obsługi próbek z 15-30 minut do około jednej minuty na każdy okaz. Sieć neuronowa przeanalizowała 12 450 próbek z dokładnością 96% i zbadała skrzydła 1520 gatunków ptaków wróblowatych ze wszystkich kontynentów z wyjątkiem Antarktydy.

Reguła Allena, sformułowana w 1877 roku przez Joela Allena, głosi że peryferyjne części ciała zwierząt stałocieplnych są większe u gatunków zamieszkujących strefy o klimacie ciepłym niż u tych z klimatu chłodnego. Różnice te mają charakter adaptatywny, ponieważ im krótsze są części wystające, tym mniej są narażone na utratę ciepła. Dotychczas reguła ta była głównie stosowana do opisywania różnic w rozmiarach uszu, nóg czy ogonów u różnych gatunków ssaków i ptaków.

Wyniki badań pokazały, że długie skrzydła w cieplejszym klimacie pomagają rozpraszać ciepło z mięśni biorących udział w lataniu. Unaczyniona muskulatura wzdłuż tych kości jest maksymalnie odsłonięta, gdy ptaki aktywnie trzymają skrzydła z dala od ciała, aby pomóc w chłodzeniu lub podczas lotu. Z kolei muskulatura wzdłuż kości skrzydeł jest izolowana przez upierzenie w czasie odpoczynku, tak że skrzydła odgrywają niewielką rolę w wymianie ciepła, gdy osobniki są mniej aktywne i mogą potrzebować zatrzymać ciepło.

Kości skrzydeł odgrywają unikalną rolę w termoregulacji. Kiedy ptaki latają, kości te stają się kluczowe dla rozpraszania ogromnego ciepła generowanego przez mięśnie lotu. To odkrycie sugeruje, że wzorzec obserwowany przez naukowców - dłuższe kości skrzydeł w cieplejszych klimatach - jest napędzany głównie przez potrzebę efektywnego chłodzenia, a nie zachowania ciepła.

Modele stworzone przez badaczy, głównie w wyniku efektów allometrycznych, wyjaśniają niemal wszystkie wariacje w długości kości skrzydeł w ich danych, z marginalnym R² = 0,80 i warunkowym R² > 0,99. Oznacza to, że czynniki związane z termoregulacją mają znaczący wpływ na kształtowanie się anatomii skrzydeł u ptaków.

Badanie to podważa tradycyjne poglądy ornitologów, którzy dotychczas uważali, że kształt i rozmiar skrzydeł zależą wyłącznie od wymagań związanych z lotem, takich jak efektywność czy manewrowość. Odkrycie to podkreśla rolę termoregulacji w kształtowaniu nawet najbardziej krytycznych cech anatomii kręgowców.

Zespół badawczy wykorzystał próbki pochodzące głównie z University of Michigan Museum of Zoology, a zbiór danych został następnie uzupełniony o okazy z Field Museum of Natural History w Chicago. Badanie reprezentuje kulminację sześcioletniej współpracy między ekologami i informatykami z University of Michigan i New York University.

Technologia jest obecnie rozszerzana o zaawansowany system skanowania 3D w celu pomiaru dodatkowych właściwości, takich jak objętość i powierzchnia. Naukowcy udostępnili również swój zbiór danych i kod źródłowy typu open source, co umożliwi innym badaczom kontynuowanie tego typu analiz.

To przełomowe odkrycie nie tylko ujawnia nowe aspekty ewolucji ptaków, ale także demonstruje, w jaki sposób współczesne technologie mogą zrewolucjonizować klasyczne badania biologiczne. Nawet cechy tak krytyczne jak skrzydła, które tradycyjnie badaliśmy tylko pod kątem mechaniki lotu, są kształtowane przez wymagania termoregulacji. Ma to ważne implikacje dla tego, jak ptaki mogą reagować na zmiany klimatyczne.