Conquista do ambiente aéreo pelos seres vivos

A atmosfera terrestre e a vida em nosso planeta estão intrinsecamente ligados desde o início, onde um promoveu a formação do outro, evoluindo até a forma que conhecemos hoje. A conquista desse ambiente aéreo pelos seres vivos começa cedo se pensarmos em voo passivo (flutuação), além do voo ativo (com gasto de energia), que é o primeiro que nos vêm à mente. Essa conquista tem várias vantagens para reprodução, busca de recursos/alimento (inclusive sazonais) e de ambientes menos competitivos (tanto dentro da própria espécia quanto de predadores).

Cogumelo bufa-de-lobo, sementes de ipê, libélula, peixe voador, pterossauro, perereca planadora, dragão voador, morcego, colugo, harpia e albatroz (em sentido horário, a partir da esquerda indo para o centro). Fonte: Wikipedia
Cogumelo bufa-de-lobo, sementes de ipê, libélula, peixe voador, pterossauro, perereca planadora, dragão voador, morcego, colugo, harpia e albatroz (em sentido horário, a partir da esquerda indo para o centro). Fonte: Wikipedia

Duas forças tem que ser consideradas no processo de voo: a força de sustentação, oferecida pela resistência do ar, e a força de arrasto, que é promovida pela viscosidade do ar. Veja mais no post sobre Tópicos de engenharia aeronáutica sobre isso e elementos que caracterizam as asas.

Formação da atmosfera terrestre

Os primeiros gases da atmosfera surgem ainda durante a formação da Terra, há 4,5 bilhões de anos. Nosso planeta ainda era apenas um disco de gás e poeira esfriando lentamente, formando blocos de rocha cada vez maiores com gases presos.

Há 3,8 bilhões de anos, a intensa ação dos vulcões faz os elementos voláteis presos às rochas jorrarem na forma de gases, como o dióxido de carbono e o nitrogênio. O Sol promove a desintegração do metano, da amônia e das moléculas de vapor d’água. Isso formando uma fina camada de oxigênio no alto da atmosfera, que ajuda a proteger o planeta contra os raios ultravioleta.

Com essa proteção, boa parte do vapor d’água passa a se condensar na forma de água líquida, permitindo o surgimento da vida. Depois, o dióxido de carbono começa a ser absorvido pelo solo e por bactérias que fazem fotossíntese. O oxigênio liberado por esse processo é sugado por certos minerais, principalmente o ferro. Entre 3,8 bilhões e 1,7 bilhão de anos atrás, o nitrogênio passa a dominar a atmosfera.

Há 1,7 bilhão de anos, o oxigênio se acumula a 10% da concentração atual. Forma-se também uma razoável camada de ozônio nas camadas mais altas, protegendo a superfície dos raios ultravioleta, permite o surgimento das plantas terrestres e aumentando ainda mais o nível de oxigênio. Há 400 milhões de anos, a a quantidade de oxigênio e nitrogênio no ar fica parecida com a atual (em torno de 99%).

Seres vivos na atmosfera

No voo passivo (planagem), o objetivo é vencer a força da gravidade de modo a se sustentar no ar de alguma forma. Devido à viscosidade do ar, deve-se ter um formato que permita pairar no ar pelo maior tempo possível, usando a resistência do ar para poderem se movimentar.

Existem colônias de bactérias que são tão leves a ponto de possuírem uma densidade próxima do ar ao redor, permanecendo em suspensão na atmosfera por longos períodos. Vírus também podem ser transportados por distâncias consideráveis até encontrar organismos hospedeiros para se fixar. Fungos possuem estruturas específicas e até reações químicas de explosão para lançar os esporos para o ar de modo a serem levados o mais longe possível.

Várias plantas utilizam o movimento do ar para polinização e transporte de sementes. As sementes aladas apresentam uma estrutura específica para auxiliar sua dispersão pelo vento, geralmente formada pelo alongamento do tegumento. A dispersão das sementes faz com que elas sejam levadas para locais mais distantes em relação à planta mãe, evitando competição entre eles e conquistando novos espaços, visando aumentar o sucesso reprodutivo da espécie.

No voo ativo, existe gasto de energia para conseguir permanecer voando. Os insetos começaram a ocupar o ambiente aéreo quando começou a haver maior disponibilidade de oxigênio, usado como combustível para suas reações químicas de sobrevivência, principalmente relacionadas ao voo ativo. Estudos sobre organismos fósseis mostram que os insetos vieram de um crustáceo ancestral, que tinha expansões laterais usadas para respiração, cada uma relacionada com algum apêndice locomotor (ou seja, ao nado).

Esses brotos alares foram inicialmente usados para planar sobre a água. Com o desenvolvimento dos músculos relacionados a essas estruturas, passaram a aquaplanar com mais patas até chegar no voo. Assim, usavam as asas membranosas para alçar e manter o voo. Existem dois genes relacionados com estruturas branquiais no crustáceos e aranhas atuais, mas que nos insetos, eles estão associados à formação de asas.

A diversidade de plantas já existente nesse período permitiu a expansão, diversificação e especiação, esta ligada à capacidade em explorar diferentes ambientes. A capacidade de voo dos insetos também sofreu pressão seletiva dos predadores, como as aves mais à frente. Uma das características de um ser vivo para ser classificado como inseto é ter asas. Formigas, cupins, piolhos e pulgas sofreram perda secundária das asas, por causa da pressão do ambiente que estão.

Os paleópteros (libélula, por exemplo) possuem somente um músculo direto ligado às asas (só bate asas para cima e para baixo), que são os mais ancestrais. Já os neópteros possuem também os músculos indiretos, ligados aos músculos, o que permite movimentos mais complexos (exemplo: borboletas e besouros, que podem dobrar as asas e movê-las em diferentes direções).

Algumas asas sofreram mutações para diferentes tipos de voo ao longo da evolução, com estruturas alares membranosos e/ou não-membranosos. Borboletas possuem ligações entre as asas para que batam de modo sincronizado – borboletas monarcas podem migrar até 4 mil quilômetros entre o Canadá e o México para se reproduzir e usar recursos diferentes. Os dípteros são os que possuem voo mais controlado. Conseguem parar no ar, voar pra trás, pra frente, mudar de direção muito rápido, como as moscas, abelhas e besouros pequenos. Os besouros são bons polinizadores.

Existem peixes que podem planar sobre a água, que possuem uma nadadeira peitoral bem desenvolvida. Eles saem da água a uma velocidade suficiente de modo que as reações aerodinâmicas são semelhantes às dos aviões, podem se deslocar assim até 10 metros de distância.

Também existem anfíbios voadores, como a verdadeira rã planadora (gênero Rhacophorus), encontrada nas florestas de Java (Indonésia). Após o salto de um lugar alto, ela abre os membros, aumentando a área de arrasto, e dedos, abrindo suas membranas interdigitais. Com maior resistência do ar, sua velocidade de queda é reduzida – como em um paraquedas.

Dentre os répteis, o gênero Draco é formado por lagartos que têm uma expansão da costela com uma membrana para poder planar: os dragões voadores. Também existem serpentes do gênero Chrysopelea (com tamanho de até 1,20 metro) que podem planar, percorrendo no ar distâncias de mais de 100 metros e fazendo curvas de 90 graus durante a trajetória. Quando ela está no ar, o corpo fica completamente achatado, reduzindo sua velocidade de queda devido ao arrasto com o ar. A brasileira Jequitiranaboia (ou cobra-voadora) na verdade é um inseto próximo da cigarra e que tem até 7 cm e uma cabeça parecida com a de uma cobra.

Os pterossauros tinham um esquema de voo diferente das aves, por isso existiram espécies com até 12 metros de envergadura. Existem três teorias sobre o início do voo deles. Em uma delas, a espécie precursora era arborícola, e que indivíduos com saltos (ou seja, de baixo para cima) cada vez maiores acabaram evoluindo para o voo. Em outra, chamada de paraquedismo arbóreo, o voo se desenvolveria de uma forma passiva, ao planar de uma árvore para outra (ou seja, de cima para baixo), para depois passar para um voo ativo. Em uma terceira, o animal era bípede e muito rápido, dando saltos cada vez maiores e se aproveitando de estruturas que ajudassem a manter-se no ar por mais tempo, até evoluir para o voo ativo. Atualmente, a segunda hipótese é a mais plausível, por exigir menos energia e por estimarem que o ancestral comum entre pterossauros que se distanciou da linhagem dos dinossauros, os lagerpetídeos, fossem arborícolas – inclusive, possuíam um dedo mais longo que podia ajudar a se prender nas árvores e até virar o dedo mais comprido para formar a asa mais pra fente.

Os pterossauros menores (Rhamphorhynchoidea) voavam pulando das árvores e batendo asas – inclusive chegavam a ter cauda. Já os maiores (Pterodáctilos) saltavam de grandes penhascos a grandes velocidade, e só planavam e batiam as asas para manter o planeio, usando correntes de ar ascendentes para voltar a níveis superiores. Eles possuem a quilha (osso no peito que se prende aos músculos das asas) e o esterno para os lados, e uma parte óssea como a de um animal escalador – o que sustenta a ideia de que eram arborícolas. A asa é sustentada pelo dedo mindinho e com ossos ocos em toda sua estrutura.

As aves também possuem essa hipótese arborícola de início do voo, só que os ancestrais usavam as asas pra estabilidade na escalada da árvore. Para voltar ao solo, teriam o voo planado. Essa diferença com relação aos pterossauros é que o ancestral deles era quadrúpede, enquanto que o ancestral das aves era bípede. Além disso, os ancestrais as aves possuíam penas, que surgiram como um isolante térmico, mas que foram de grande ajuda para o voo também.

Devem possuir estrutura física, área de asa e um peso máximo coerente com as asas para poder voar. Por ser um voo propulsionado, elas vão precisar, além da aerodinâmica das asas, mas também de músculos para dar o primeiro impulso, superando a gravidade e a resistência do ar. Geralmente, o impulso é dada pelas pastas posteriores, o bater das asas e a propulsão que vai ser gerada.

O formato das asas varia conforme seu uso em voo. Aves conseguem fazer migrações transoceânicas (até 11 mil quilômetros) por um longo período de tempo, devendo gastar o mínimo de energia possível durante o voo – por exemplo, pegando correntes de ar. O formato da asa de um albatroz, maiores no comprimento e menores na largura, permite um bater de asas mais lento. O contrário é verdadeiro para aves que precisam de manobras rápidas, como o tucano, importante em terreno de floresta, ou o falcão, para caça.

Quanto aos morcegos, existem muitas lacunas nos registros fósseis de seus ancestrais, o que abre espaço para diversas teorias do surgimento do voo desses mamíferos. Na extinção do Pleistoceno (aquela dos dinossauros, há 65 milhões de anos), a atmosfera ficou mais turva, favorecendo os morcegos a passarem de hábitos diurnos para noturnos. Estes, desenvolveram a capacidade de ecolocalização, onde o som das próprias asas batendo refletia nos objetos e voltava para o animal. Isso facilitou o voo em florestas noturnas e cavernas.

Eles possuem asas membranosas que vão dos dedos até a parte superior dos membros posteriores, altamente irrigada e fina. Essa membrana é bem esticada, permitindo ser bem aerodinâmica, atuando de forma semelhante aos esquilos planadores. As manobras são bem eficientes, que possuem a propulsão nos músculos do peito e das costas, mas a maior parte do movimento é feita no movimento de palma – já que o morcego voa com as mãos, em vez do braço todo como as aves.

Alguns grupos de morcego não conseguem exercer força suficiente para sair voando do chão, então precisam escalar alguma superfície para saltar e poder voar. Por isso eles têm o costume de já ficarem pendurados em lugares mais altos.

Não confundir morcegos com os colugos (lêmures planadores), que são mamíferos arborícolas escaladores encontrado no Sudeste Asiático. Embora sejam os mais capazes de todos os mamíferos escaladores, eles não podem voar de verdade, apenas planar. Existem esquilos que também possuem membranas entre os membros, mas que também só podem planar – quem sabe daqui a milhares de anos não consigam desenvolver essa capacidade?

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