Еволюционният преход от сухоземно катерене към махащ полет при бозайниците представлява инженеринг на компромисите, в който всеки грам тъкан има своята физическа цена. Когато разглеждаме фосилните останки от ранния еоцен, като например тези на Icaronycteris index или Onychonycteris finneyi, намерени във формацията Грийн Ривър в Уайоминг, ясно се вижда, че летателният апарат на тези животни не е възникнал на празно място. За разлика от класа Aves, при който еволюцията премахва плътността на костния мозък и въвежда въздушни торбички за постигане на максимална подемна сила при минимално тегло, Chiroptera запазват компактна, плътна костна структура. Тази плътност осигурява необходимата здравина срещу торсионните усуквания при полет, но създава масивен проблем с масата. Мускулната маса, необходима на един бозайник за вертикален отласък от земята при подобно съотношение между тегло и площ на крилата, би изисквала метаболитна консумация, която природните ресурси в ранния палеоген просто не са можели да захранят.
Решението на този аеродинамичен дефицит се крие в използването на потенциалната енергия на гравитацията. Вместо да изразходва огромни количества АТФ за засилване и отласък, прилепът просто освобождава захвата си и превръща падането в начална кинетична скорост, необходима за създаване на аеродинамично издигане. Това обаче поставя друг статичен проблем: как един организъм да прекара половината от живота си в състояние на пълна безподвижност, закачен за тавана на пещера или под кори от дървета, без това да доведе до пълно изтощение на мускулните групи.
Биомеханичен автоклип и физика на пасивния захват
Отговорът се намира в дисталните крайници. Анатомичният апарат на задната лапа при прилепите функционира по начин, който обръща стандартната кинематика на мускулното съкращение. Даниел Павук, изследовател и ръководител на катедрата по биология в Държавния университет „Боулинг Грийн“ в Охайо, обяснява, че процесът на висене практически не изисква активна мускулна работа. Когато прилепът се катери по грапава повърхност, той съкращава флексорните си мускули, за да позиционира ноктите си. В момента, в който тялото се отпусне и гравитацията поеме своята роля, собствената маса на животното опъва сухожилията, преминаващи през задните крайници.
Тези сухожилия са обвити в специални синовиални влакна с грапава, микроскопична текстура, която влиза в пряко триене с вътрешните стени на сухожилната обвивка. Влязла веднъж в това положение, системата се заключва механично. Колкото по-тежък е обектът, толкова по-силно сухожилието притиска нокътя към скалата. Това е пасивен биомеханичен "автоклип", който позволява на животното да поддържа стабилна позиция с нулев разход на метаболитна енергия. Ученият може да изследва дори умрял или хиберниращ екземпляр – системата продължава да държи тялото забито в повърхността, докато външна сила не повдигне масата нагоре, за да освободи напрежението в сухожилието.
Тази адаптация обаче върви в комплект с радикална редукция на долните крайници. Тъй като краката вече не носят тежестта на тялото при ходене или бягане, костната маса на бедрената и пищялната кост е сведена до минимум, а самите крайници са завъртяни на 180 градуса спрямо оста на тялото, за да улеснят сухожилното заключване и управлението на мембраната (patagium) по време на полет. Изключени от сухоземното придвижване, повечето видове са абсолютно безпомощни на плоска повърхност, пълзейки неефективно и превръщайки се в лесна плячка за всеки наземен хищник.
Хемодинамика и гравитационен контрол върху флуидите
Физическата възможност да прекарваш денонощия в обърнато положение поставя сериозни изисквания пред сърдечно-съдовата система. Вземете един сухоземен бозайник с близка маса или човек и го поставете с главата надолу – хидростатичното налягане бързо ще предизвика събиране на кръв в церебралните съдове, повишаване на вътречерепното налягане и критичен спад във венния поток към сърцето. При Chiroptera това не се случва поради няколко специфични физиологични промени.
На първо място, общият обем на кръвта и спрегнатото с него съдово легло са разпределени в изключително малки мащаби, където хидростатичният стълб течности просто няма достатъчна височина, за да генерира разрушително за мозъка налягане. Сърдечният мускул при прилепите е пропорционално по-голям спрямо телесната маса в сравнение с този при недетежоспособните бозайници, а стените на аортата и главните вени притежават висока еластичност. В допълнение, венозната система на тези животни е оборудвана с мрежа от еднопосочни клапи, разпределени така, че да предотвратяват обратния поток на кръвта към главата, докато в същото време свиването на гладката мускулатура на съдовете подпомага връщането на кръвта към атриума.
Тази хемодинамична стабилност е критична по време на зимната хибернация (торпор). Когато телесната температура пада до близки до нулата градуси, а сърдечната честота намалява от 400-500 до под 20-30 чукания в минута, всяко разстройство в налягането на флуидите би довело до летален изход или тъканна некроза.
Морфологични изключения и атипични среди
Макар общият модел на сухожилно заключване да доминира при мнозинството от над 1400 познати вида, еволюционният процес показва интересни отклонения, когато екологичната ниша го изисква. В тропическите гори на Централна и Южна Америка се среща семейство Thyropteridae (дискокраки прилепи). При тях анатомията на задната лапа и основата на палеца е модифицирана в специализирани кръгли вендузи.
Тези структури не разчитат на механичен захват чрез нокти, тъй като населяват гладките, вертикални повърхности на неотворени листа от Heliconia или Calathea. Чрез мускулно контролиране на вътрешното налягане в диска, Thyroptera tricolor създава вакуум, който му позволява да остане закрепен за гладката растителна тъкан под практически произволен ъгъл, без да се налага да виси изцяло вертикално. Това показва, че физическият натиск за търсене на укрития, недостъпни за арбореални или летателни хищници като змии, ястреби и улулици, е създал повече от един механизъм за закрепване.
Плътността на документите и теренните изследвания показва, че прилепите не „предпочитат“ да спят с главата надолу поради някаква поведенческа прихоть. Те са затворници на собствен еволюционен избор, направен преди десетки милиони години: запазване на костната плътност за сметка на загубата на сухоземна мобилност. Всеки опит да се разглежда тази позиция извън контекста на аеродинамичния дефицит, мускулната икономия и съдовата адаптация се сблъсква с простия факт, че за един прилеп подът е най-опасното и енергийно скъпо място на планетата.
