Penas: uma das invenções mais engenhosas produzidas pela evolução
(scientificamerican.com)- O jovem Bar-tailed Godwit B6 voou 8.425 milhas sem parar em 11 dias, do Alaska até a Tasmânia, em outubro de 2022, e as penas tornaram esse voo possível ao fornecer isolamento térmico, impermeabilização e a formação da superfície de voo
- Desde os anos 1990, fósseis mostram que as penas não eram uma característica exclusiva das aves, mas estavam amplamente presentes em vários dinossauros terópodes, e que penas primitivas podem remontar ao ancestral comum de dinossauros e pterossauros
- O fator importante nas penas de voo não é uma simples diferença entre os lados, mas a assimetria aerodinâmica; a barba posterior precisa ser pelo menos 3 vezes mais larga que a anterior para contribuir para a estabilização durante o voo
- As penas também servem para isolamento, exibição, auxílio auditivo, voo silencioso e até redução de arrasto na água, variando bastante em aves como corujas, beija-flores e pinguins de acordo com a especialização ecológica
- O encaixe tipo velcro, a supressão de ruído nas corujas e o controle da camada limite nos pinguins deram origem a tecnologias aplicadas como fixadores temporários, redução de ruído em ventilação e protótipos de robótica
O voo de longa distância de B6 e o papel das penas
- Em outubro de 2022, um jovem Bar-tailed Godwit de codinome B6 voou do local onde nasceu, no Alaska, até a área de invernada na Tasmânia durante 11 dias
- A distância total foi de 8.425 milhas
- Continuou batendo as asas sem pousar, se alimentar ou beber água
- A velocidade média em relação ao solo foi de 30 milhas por hora
- Nesse voo, também entraram em ação força muscular, alta taxa metabólica e tolerância fisiológica a níveis elevados de cortisol
- As penas desempenharam várias funções ao mesmo tempo para permitir que essa ave pequena resistisse por cerca de 250 horas
- Mantiveram o corpo aquecido à noite enquanto voava sobre o Pacific Ocean
- Repelem a chuva
- Formam a superfície de voo das asas, contribuindo para sustentação e propulsão
As penas surgiram antes das aves
- Hoje, os únicos animais com penas são as aves, mas descobertas fósseis desde os anos 1990 mostram que as penas não foram uma invenção exclusiva das aves
- As penas estavam amplamente distribuídas em várias linhagens de terópodes (theropods), dinossauros carnívoros bípedes, e as aves herdaram isso de seus ancestrais terópodes
- Penas primitivas podem remontar ao ancestral comum de dinossauros e pterossauros
- Cerdas simples, coberturas tipo penugem e estruturas semelhantes a penas podem ter existido em uma variedade muito maior de dinossauros do que aquela preservada em fósseis
- As penas pennáceas (pennaceous feathers), largas e achatadas, também surgiram antes das aves
- Essas penas são estruturas aptas ao voo, comuns nas asas e na superfície corporal das aves modernas
- A linhagem Pennaraptoran, que inclui aves e espécies como Velociraptor, recebe seu nome dessas penas
O essencial nas penas de voo não é a forma, mas como funcionam
- A capacidade de voo dos primeiros Pennaraptoran ainda é tema de debate
- Algumas espécies provavelmente não voavam, porque tinham “asas” pequenas em relação ao corpo grande
- Nesse caso, as penas pennáceas podem ter sido usadas principalmente para exibição
- Dinossauros florestais pequenos e com quatro asas, como Microraptor, são ainda mais difíceis de interpretar
- No passado, a assimetria da barba (vane asymmetry) era considerada importante para julgar a possibilidade de voo
- Nas penas primárias manuais de aves voadoras modernas, a barba anterior é mais estreita que a posterior
- Fósseis de espécies próximas de Microraptor também têm penas assimétricas, o que serviu de argumento a favor da capacidade de voo
- Pesquisas recentes em biomecânica do voo mostram que a simples assimetria anatômica não basta
- O importante é a assimetria aerodinâmica
- A barba posterior precisa ser pelo menos 3 vezes mais larga que a anterior para que a torção da pena contribua para a estabilização em voo
- Abaixo dessa proporção, a torção da pena provoca instabilidade em vez de estabilização
- O Microraptor, um Pennaraptoran inicial, não tinha penas com esse nível de assimetria aerodinâmica
- Ainda assim, se as penas se sobrepunham de forma compacta e não se separavam, poderiam ser estáveis mesmo sem assimetria
- A assimetria é importante quando há slotting, ou abertura entre penas primárias, como nas aves de rapina modernas
- O Microraptor provavelmente tinha asas longas e estreitas, com pontas compactas e sem slots
Slots nas asas das aves e a evolução repetida do voo em dinossauros
- Uma equipe liderada por Michael Pittman revisou em conjunto dados sobre assimetria da barba e musculatura de voo em dinossauros próximos das aves
- A equipe considera bastante provável que o voo batido tenha evoluído várias vezes entre os dinossauros
- A única linhagem sobrevivente hoje é a das aves
- Só nas aves as penas de voo alcançaram o nível de capacidade de deformação morfológica observado hoje
- A capacidade de as penas torcerem da maneira adequada torna possível o slotting na ponta da asa
- Os slots aumentam a eficiência da asa em baixas velocidades de voo
- Asas com slots funcionam como se fossem mais longas e estreitas do que seu comprimento anatômico
- As pontas das asas ficam mais resistentes ao estol, reduzindo a perda de sustentação
- Essa estrutura influencia vários modos de voo
- Aves marinhas como albatross e petrel fazem planeio eficiente com asas longas e estreitas
- Os slots permitem planar também com asas mais largas, possibilitando a evolução de aves planadoras de asas amplas como vulture e hawk
- Também contribuem para voos explosivos de curta distância em aves como grouse
- Aumentam a manobrabilidade de aves de florestas e ambientes complexos, de songbird a toucan
- A manobrabilidade possibilitada por asas com slots pode ter ajudado as aves a competir com pterossauros e sobreviver à extinção em massa do fim do Cretáceo
Tipos de penas e como elas se desenvolvem
- As penas das aves variam em tamanho, forma e função dependendo da parte do corpo
- A forma das penas pode ser vista como um espectro
- Em uma ponta estão as grandes e relativamente rígidas penas de voo das asas e da cauda
- Na outra, a penugem, curta e macia, que fica próxima ao corpo e retém calor
- Todas as penas têm um eixo central e barbas (barbs), ramificações macias que saem desse eixo
- Nas penas de voo, as barbas se encaixam como dentes de velcro para formar uma barba lisa e resistente ao vento
- Na penugem, as barbas são soltas e fofas, prendendo o calor
- A contour feather combina uma ponta com barba como a das penas de voo e barbas soltas como as da penugem
- As bristle feather ao redor do rosto podem ter funções de proteção e sensoriais, combinando um eixo rígido com uma base macia
- As penas são apêndices cutâneos, como escamas, espinhos e pelos
- As penas pennáceas começam como uma estrutura tubular e depois se abrem ao longo do comprimento, formando duas barbas
- Vários genes e moléculas interagem com o ambiente para determinar a estrutura da pena
- O grau de encaixe das barbas que formam a barba
- O tamanho e a forma da raque, o eixo central
- A presença de uma estrutura espumosa dentro da raque, que aumenta a rigidez em relação ao peso
- As diferenças entre tipos de penas dependem em parte de diferenças genéticas, mas em grande medida surgem de mudanças na regulação gênica, como quando os genes são ativados ou desativados durante o desenvolvimento da pena e com que intensidade atuam
Penas de exibição também são resultado de compromissos mecânicos
- Penas de exibição são penas chamativas usadas para atrair parceiros
- Podem se destacar pela cor, como as penas brilhantes da garganta de hummingbird
- Podem crescer em proporções grandes, como a crista e a cauda do peacock
- Tradicionalmente, penas de exibição são vistas como produto da seleção sexual, em que a escolha de parceiros impulsiona a evolução dos traços
- Uma linha mais recente de pesquisa as vê como um compromisso complexo entre pressões sociobiológicas e biomecânicas
- Penas longas de exibição não crescem em qualquer parte do corpo
- Aparecem principalmente na região lombar inferior e na cauda, onde interferem relativamente menos no desempenho de voo
- Machos de Resplendent Quetzal podem ter penas de cauda de até 3 pés na estação reprodutiva
- Em algumas aves, penas longas de cauda podem gerar força aerodinâmica suficiente para sustentar boa parte do peso extra
- As longas penas de cauda do quetzal perdem a estrutura de encaixe compacto e se tornam intermediárias entre pena pennácea e penugem
- Essa estrutura deixa passar muito ar, provavelmente como adaptação para não gerar muita sustentação e reduzir a instabilidade
- Penas de exibição aumentam o arrasto e o custo do voo, mas esse custo pode ser menor do que se supunha
- Em especial, a microestrutura dos streamer da cauda oferece equilíbrio entre rigidez, peso e forma
- Precisa manter a forma o bastante para funcionar como sinal
- Não pode ser rígida demais a ponto de desestabilizar a ave durante rajadas de vento ou manobras bruscas
Penas de coruja: captam som e eliminam o ruído do voo
- O disco facial da coruja é um amplo leque semicircular de penas ao redor dos olhos e dos ouvidos
- O crânio em si é longo e estreito, mas as penas que envolvem o rosto alteram bastante a aparência externa da coruja
- O disco facial não serve apenas para a aparência; ele canaliza o som para os ouvidos
- Ouvidos deslocados verticalmente
- Estruturas de ouvido médio e interno extremamente sensíveis
- Graças a essa combinação, a coruja consegue localizar a posição da presa sem vê-la
- Ainda assim, usa a visão na captura final
- Mas uma audição excelente, por si só, não basta
- Se as penas das asas produzirem som, fica difícil se aproximar de presas alertas
- O próprio ruído do voo pode mascarar os sons sutis da presa
- As corujas evoluíram características das penas que tornam seu voo quase inaudível
- A superfície das penas tem uma textura aveludada que reduz o som quando elas roçam umas nas outras
- As penas da borda de ataque da asa têm uma estrutura em pente
- As penas da borda de fuga da asa têm franjas felpudas
- O pente na borda de ataque gera microvorticidade no ar, mantendo o fluxo principal aderido à asa
- Quando esse fluxo passa pelas franjas da borda de fuga, forma-se uma esteira sem ondas consistentes de pressão linear, e o resultado é a ausência de som
- As corujas modernas se dividem em dois grupos, tytonid e strigid
- Ambos apresentam voo silencioso
- Seu último ancestral comum existiu há pelo menos 50 milhões de anos
- As características de voo silencioso podem remontar a esse ancestral comum
Adaptações extremas das penas em beija-flores e pinguins
- As penas mais rígidas aparecem em dois grupos muito diferentes: beija-flores e pinguins
- Os beija-flores pairam diante das flores e usam frequência altíssima de batimento e um movimento de asa incomum ao sugar néctar
- Ao contrário da maioria das aves, geram sustentação e propulsão significativas não só no batimento para baixo, mas também no batimento para cima
- Fazem isso girando o ombro para inverter completamente a asa
- Esse método exige asas muito rígidas
- O reforço dos ossos da asa e penas com raque muito rígida fornecem essa rigidez
- Os pinguins, que não voam, transformaram as penas para se adaptar à vida na água e em terra
- A cobertura do corpo inteiro virou um mosaico de penas pequenas e densas
- Cada pena individual é muito rígida
- Juntas, formam uma superfície texturizada nas asas e no corpo que controla a camada limite da água durante a natação
- O revestimento áspero de penas dos pinguins retém uma película lisa de água, reduzindo o arrasto e o custo energético da natação
- As penas densas retêm um pouco de ar para isolamento, mas sem tornar o pinguim excessivamente flutuante
- Com o fim das restrições impostas pelo voo, os pinguins abandonaram o ornamento típico das penas ancestrais e ganharam penas voltadas à redução de arrasto e à flutuabilidade mínima
- Essa adaptação ajuda os pinguins a mergulhar a mais de 1.600 pés em busca de krill, fish e outras presas subaquáticas
O que as penas inspiraram na tecnologia
- As penas são um excelente sistema modelo para entender como estruturas complexas evoluem e como anatomia e comportamento passam a influenciar um ao outro ao longo do tempo
- Várias características das penas já levaram a inovações tecnológicas em ciência aplicada
- O mecanismo tipo velcro que conecta as barbas nas penas pennáceas serviu de base para sistemas avançados de fixação temporária
- As franjas de supressão de ruído das penas de coruja inspiram sistemas de redução de ruído em ventilação
- A textura superficial e os princípios de controle de camada limite das penas de pinguim são aplicados principalmente em protótipos de robótica
- As penas reúnem, dentro de uma única família de estruturas biológicas, funções tão diferentes quanto isolamento térmico, voo, exibição, furtividade e eficiência na natação
1 comentários
Opiniões do Hacker News
Texto interessante, e não era só sobre penas. Os anexos da pele ainda têm muitos enigmas genéticos não resolvidos; por exemplo, fico curioso sobre como as unhas e os cabelos humanos crescem sempre em uma única direção, e sempre assim.
O Microraptor, mencionado de passagem, chamou especialmente a atenção: ele tinha quatro asas. Isso não quer dizer que parecesse um dragão — um dragão teria que ser um inseto —, mas sim que era um tetrápode comum que usava os quatro membros para voar. Em voo, acho que teria parecido um F-35.
No fim, parece que ir para duas asas acabou sendo o ideal, não só pela mobilidade em terra, mas também pela otimização em duas frentes da fúrcula e dos músculos peitorais. Deve ter sido difícil colocar potência suficiente em patas traseiras de dupla função e, infelizmente, o artigo da Wikipédia sobre o Microraptor não se aprofunda muito nesse ponto.
Além disso, é difícil dizer que as aves sejam claramente os vertebrados voadores existentes mais otimizados.
Como os pelos dos braços e das pernas “sabem” seu limite de comprimento?
Ainda é um crescimento para fora, mas é difícil dizer que o controle de direção seja perfeito.
Além disso, se não houver cuidado, a turbulência e os vórtices criados pela asa dianteira podem atrapalhar a asa traseira.
Se a Terra voltar a ficar quente, ao longo de milhões de anos, como uma sauna da era dos dinossauros, talvez os mamíferos deixem de estar em vantagem. Talvez seja hora de receber novos soberanos aviários.
Podem evoluir a partir de corvos; de todo modo, eles já são mais otimizados em vários aspectos. Pena que não haverá reservas de carvão, petróleo e gás natural para construir uma civilização industrial inicial.
No pior caso, bastaria inventar a tecnologia para transformar madeira em carvão vegetal, carvão vegetal em coque e fazer um fogo quente o bastante para fundir ferro. O alumínio resiste bastante bem à ferrugem e pode ser derretido até com uma boa fogueira; espécies aviárias provavelmente prefeririam metais mais leves.
Esses monstros tinham envergadura de mais de 10 m, eram predadores de topo e tinham um corpo feito para isso. Já que é para fazer, melhor criar um dragão digno de ser visto, não é?…
“Novos soberanos aviários” também não são realmente novos. As aves são terópodes, como o T-Rex, então seria apenas um retorno à forma original.
https://archive.is/20240416202627/https://www.scientificamer...
Bom texto. Ainda assim, hesito um pouco em chamar as penas de uma das invenções mais inteligentes da evolução.
O mundo natural está cheio de engenharia evolutiva impressionante, do gigantesco ao refinado, do diverso ao minúsculo. O coração da baleia-azul, o cérebro da linhagem humana, os vários tipos de olhos — compostos, de orifício, com cristalino —, até os leucócitos: para onde quer que se olhe, há feitos de engenharia dignos de admiração.
Acho que penas seriam uma dessas coisas.
Em outubro de 2022, uma ave com o codinome B6 estabeleceu um recorde mundial no reino das aves que quase não recebeu atenção fora da ornitologia. B6, um jovem maçarico-de-bico-fino, voou 8.425 milhas, dos locais de reprodução no Alasca até as áreas de invernada na Tasmânia, durante 11 dias sem parar uma única vez.
Vários fatores contribuíram para essa incrível capacidade atlética, incluindo força muscular, alta taxa metabólica e capacidade fisiológica de tolerar níveis elevados de cortisol.
Há também um fato interessante que ficou de fora do texto: durante esses voos de longa distância, as aves dormem com apenas metade do cérebro por vez. Assim, não caem do céu por cochilar.
Outro fato interessante: pessoas também têm microssonos ao dirigir por longas distâncias. Os olhos ficam abertos e as mãos seguram o volante, mas o cérebro perde a consciência por alguns segundos. Em geral, a pessoa nem percebe…
Há a expressão “não pousou, não comeu, não bebeu e não parou de bater as asas”, mas entendo que distâncias tão enormes são possíveis não por simples “batidas de asa”, e sim por aproveitar, com pequenos ajustes, as forças poderosas que existem entre as correntes de ar e as ondas ao cruzar o oceano
Por exemplo, há o caso de um planador de controle remoto sem motor que registrou mais de 548 milhas por hora usando apenas energias naturais como vento e gravidade
https://www.youtube.com/watch?v=4eFD_Wj6dhk
https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_soaring
Se você já viu essa ave na natureza, dá para entender o motivo. Ela é uma ave que só voa batendo as asas; não tem outro modo de voo
Já os albatrozes usam voo dinâmico e também percorrem distâncias maiores que o maçarico-de-bico-virado. Conseguem dar várias voltas pelo Oceano Antártico. Além disso, os albatrozes têm a vantagem adicional de poder descansar sobre a água, coisa que o maçarico-de-bico-virado não consegue fazer
Provavelmente é por isso que os tubarões sobreviveram por tanto tempo. Eles podem ser extremamente resistentes a estados de escassez extrema
Não cheguei a ir a Parker Mountain, mas as histórias daquele pessoal eram ótimas. 100G encontra os pontos fracos do modelo e, em geral, os revela de forma explosiva
Surfe de pelicanos também é divertido: https://www.youtube.com/watch?v=cEFrSycTvRk
Texto realmente muito bom. Sei que alguns dos primeiros evolucionistas se preocuparam com a evolução das penas e asas. É porque ela parece difícil de ocorrer de forma gradual
Se não for o bastante para planar, um pequeno bater de asas emplumadas não parece trazer muita vantagem
Uma das principais hipóteses é que as penas evoluíram para manter os animais aquecidos, já que também são boas como isolante térmico. Fico curioso se essa ainda é a teoria principal
https://en.wikipedia.org/wiki/Origin_of_avian_flight#Hypothe...
Vídeo sobre a hipótese da “corrida em declive auxiliada pelas asas”:
"The Origin of Flight--What Use is Half a Wing?" https://www.youtube.com/watch?v=JMuzlEQz3uo
Antes, eu achava que penas ou asas teriam evoluído primeiro em organismos marinhos. Mesmo coberturas muito pequenas ou mini-asas/nadadeiras podem melhorar a hidrodinâmica ou o controle da natação, então não seria necessário saltar de uma condição inútil diretamente para uma condição capaz de voar. Não procurei saber se isso de fato aconteceu
Em uma busca rápida, encontrei esta frase:
“Portanto, as primeiras penas eram usadas para isolamento térmico, comunicação e impermeabilização, e não para aerodinâmica e voo.”
https://www.britannica.com/animal/bird-animal/The-origin-of-...
“As duas principais teorias concorrentes publicadas se baseiam na ideia de que as penas serviam como isolamento para impedir a perda de calor corporal ou de que forneciam uma superfície aerodinâmica para o voo. No entanto, devido à falta de conhecimento sobre a função e as relações ecológicas das protoplumas e das penas mais primitivas, é impossível confrontar essas teorias, ou outras propostas neste simpósio, de forma rigorosa com observações empíricas objetivas para determinar qual delas é refutada ou qual é a mais provável.”
https://academic.oup.com/icb/article/40/4/478/101404#
O interessante na ciência da evolução é que ela não precisa de um modelo subjacente para verificar se uma invenção dessas é de fato possível; basta que a invenção seja possível
Basicamente, na evolução pode-se dizer que qualquer coisa é possível, e isso, para mim, não parece muito ciência
Dá até para dizer que não é ciência. Falta a intenção coordenada por trás dela. Para mim, a evolução não é produto de um esforço consciente, mas um comportamento emergente dos indivíduos e sistemas envolvidos
Pegando a definição de “ciência” da Wikipédia, é “um esforço rigoroso e sistemático que constrói e organiza conhecimento na forma de explicações e previsões testáveis sobre o mundo”. Na evolução, a verificação claramente ocorre, mas não é um esforço sistemático, ou pelo menos não tenho certeza de que seja
Porque só o que funciona sobrevive, independentemente da política, isto é, do que os outros pensam
Outra característica que torna as aves realmente surpreendentes é que, se entendi corretamente, elas absorvem oxigênio tanto na inspiração quanto na expiração
Penas são incríveis, mas uma criatura como a B6 precisa de uma quantidade enorme de energia para voar por 10 dias seguidos
Já a parte dos pulmões das aves que extrai oxigênio é mais parecida com um dissipador de calor por onde o ar passa em uma direção constante do que com uma estrutura em que o ar vai e volta
Minha esposa cria um papagaio-cinzento-africano e, às vezes, só de ficar observando, fico maravilhado com a sensação de estar vendo diante de mim algo que remonta aos dinossauros
Ele também é bem inteligente. Reconhece pessoas e objetos e usa palavras fazendo associações. Por exemplo, quando um gato preto entra na cozinha para ver se tem algo para comer, ele diz “Get out”, do mesmo jeito que eu
Por ser uma espécie que vive em árvores tropicais, não tem a glândula uropigiana que passa óleo nas penas, mas tem penugem que, durante a limpeza, se desfaz finamente e vira pó