Чудеса на виражах: полет колибри

0 1583 3 Авг 2017

В погоне за самой маленькой на свете птицей нас занесло на задний двор дома цвета фламинго в кубинском городке Пальпите. Орнитолог Кристофер Кларк загрузил машину доверху: тут и камеры, и звуковое оборудование, и прозрачная клетка-куб. С момента нашего приезда не прошло и нескольких минут, а Кларк уже носится как угорелый: пытается угнаться за крылатой пулей, которая носится меж кустов гамелии. Тщетно! Даже когда колибри застывает над цветком для «дозаправки», ее крылья продолжают биться настолько стремительно, что человеческий глаз не способен различить их очертания.

Колибри-пчелка (Mellisuga helenae), ускользающая от Криса, даже по меркам своих миниатюрных сородичей, сущий карлик: ее радужно-зеленое тельце весит чуть больше миндального орешка. Кубинцы прозвали кроху zunzuncito — маленькая жужжалка, ибо именно этот звук издают ее машущие крылья.

Но не зря говорят «мал, да удал» — завидев гостью на своей территории, самец встречает ее с большим энтузиазмом. К нему пожаловала хорошенькая самочка, заключенная в прозрачную клетку, которую Кларк водрузил на гофрированную металлическую крышу дома. Недоступность самки ничуть не охлаждает пыл самца, взмывающего ввысь со своей ветки. Он зависает в воздухе и испускает трель в ее честь, затем поднимается все выше, превращаясь в точку на облачном небе, а на пике полета кренится вперед и падает камнем вниз. В следующее мгновение все повторяется: взмыл — накренился — спикировал. Аттракцион длится не более секунды — трюкач растворяется в воздухе, лишь слегка всколыхнув листву.

Я смотрел на это брачное шоу во все глаза, но ничего не разглядел. Крис тоже в этом не преуспел, зато он сделал кое-что получше — записал все представление на скоростную камеру, которая дробит каждую секунду на пять сотен кадров. Загрузив видео, Кларк показывает мне отснятый материал на ноутбуке, прокручивая драгоценные кадры один за другим. Только тогда мы наконец-то смогли увидеть пируэты, которые было невозможно разглядеть на такой скорости.

895181139e9f1cb4423b38a9a4a54401.jpg

Исследуя брачные игры самцов кубинских колибри-пчелок, ученые поймали несколько пичужек, чтобы измерить вес тела и размах крыльев (вверху). Этот малыш лежал на весах смирно: колибри временно теряют ориентацию, если перевернуть их на спину, но едва приняв привычное положение, стремительно уносятся прочь. Во время съемок ни одна птичка не пострадала. Источник: Кристофер Кларк, Калифорнийский университет (Риверсайд).

Где только ни ступала нога Кларка за последние восемь лет — от пустынь Аризоны до дождевых лесов Эквадора и сельских пустошей Кубы! Отсняв брачные игры колибри-пчелки, профессор возвращается в свою лабораторию в Калифорнийском университете (Риверсайд), где изучает видеосюжеты, реконструируя полет птицы. Его открытия позволят узнать много нового о механизме птичьего полета вообще и о брачных играх колибри в частности.

Молниеносные маневры и красочное оперение превращают полет колибри в фейерверк. Некоторые виды этих птичек совершают до сотни взмахов крыльев в секунду; частота сердцебиения у пичужек превышает тысячу ударов в минуту, а нектар они всасывают почти неуловимыми движениями языка. Колибри — воплощение ускользающей красоты. Как тут не поддаться искушению замедлить полет колибри и разложить движения на стоп-кадры, чтобы перенестись в их сказочный мир?

Обитают колибри исключительно в Северной и Южной Америке: от юга Аляски до архипелага Огненная Земля насчитывается около 340 видов. Центр разнообразия — Северные Анды, где встречается 290 видов: они обжили все экосистемы между низинными дождевыми и влажными высокогорными лесами. Самый мелкий из них не весит и двух граммов; самый крупный — исполинский колибри родом из Перу и Чили — едва дотягивает до двадцати.

Впрочем, птахи бьют рекорды не только миниатюрности. Ни одна другая птица не способна зависать неподвижно на полминуты, а то и дольше. Из пернатых лишь они умеют давать задний ход — в буквальном смысле летают задом наперед. А еще колибри — чемпионы по темпам обмена веществ среди всех позвоночных. В 2013 году ученые из Торонтского университета выяснили, что, если бы колибри были величиной с человека, каждую минуту порхания в воздухе им приходилось бы выпивать банку сладкой газировки — настолько быстро они сжигают сахар. Немудрено, что эти пташки устраивают настоящие воздушные баталии за напитанные нектаром цветы.

Язык, извлекающий нектар из цветка, — специализированный орган. Почти прозрачный, он состоит из двух трубочек, похожих на скрученные полоски целлофана. Когда птица пьет нектар, ее язык проворно снует туда-сюда. При этом, как писал английский натуралист Уильям Чарлз Линней Мартин в 1852 году, жидкость «исчезает очень быстро, возможно, под действием капиллярного явления».

Когда Алехандро Рико-Гевара, биофизик из Калифорнийского университета (Беркли), вооружился высокоскоростной видеокамерой и стал снимать колибри за трапезой возле кормушек и цветов, он обнаружил, что каждая трубочка их раздвоенного язычка разворачивается и поглощает нектар за сотую долю секунды. Затем, сжимая клюв, пташка закачивает лакомый напиток в пищевод. Все то, о чем ученый XIX столетия мог только догадываться, камера XXI века запечатлела в мельчайших подробностях.

Считается, что первая попытка исследовать полет колибри была предпринята в Германии в конце 1930-х годов. При поддержке отдела кинохроники имперского министерства пропаганды два немецких орнитолога заполучили камеру, принадлежавшую военному научно-исследовательскому институту и способную снимать со скоростью 1500 кадров в секунду. С этим аппаратом они отправились в Берлинский зоопарк, где засняли два вида колибри. «Нацистский режим разрабатывал первые вертолеты, — рассказывает Карл Шухманн, бывший куратор коллекции птиц в Зоологическом научно-исследовательском музее имени Александра Кёнига в Бонне. — Хотелось знать, как птицам удается зависать на месте».

Орнитологи пришли к выводу, что по механике полета колибри больше напоминают мух и пчел, чем других птиц, ибо развивают подъемную силу при движении крыльев как вниз, так и вверх, и в своей публикации 1939 года сравнили птицу с вертолетом Focke-Wulf.

В Америке Кроуфорд Гриниуолт служил науке по другую сторону фронта: инженер, он стал участником Манхэттенского проекта — программы по разработке ядерного оружия в США. Его жена Маргаретта пристрастилась наблюдать за птицами дома, в штате Делавэр, — и заразила супруга, как он сам говорит, «лихорадкой колибри». Его фотографии ловких пташек увидели свет в ноябрьском номере National Geographic за 1960 год. Забраковав существовавшие в то время высокоскоростные кинокамеры, Гриниуолт сконструировал собственную и заснял полет колибри в самодельной аэродинамической трубе на скорости до 43 километров в час. Оказалось, когда птица ускоряется на выходе из позиции зависания, плоскость ее крыльев разворачивается из горизонтального положения в вертикальное, перенаправляя вектор тяги.

Новые кадры произвели настоящую научную революцию, но тайну, как колибри удается махать крыльями с такой фантастической скоростью, — раскрыть не помогли. Как правило, чем чаще мышцы сокращаются, тем меньше силы они развивают. Откуда же у колибри берется достаточно сил, чтобы оставаться в воздухе?

0e5b85a5b450e3006edabcdf731a29c7.jpg

Ученые помещают колибри в аэродинамическую трубу, чтобы исследовать механику полета при скорости воздушного потока до 56 километров в час. В Калифорнийском университете (Риверсайд) черногорлый архилохус участвует в эксперименте, позволяющем оценить, насколько воздушные трюки во время брачной демонстрации отражают физическую мощь птицы. Иными словами: если самец творит в воздухе чудеса, чтобы впечатлить самку, значит ли это, что он еще и быстро летает? Чтобы сделать видимым движение воздушного потока, для этого снимка в трубу добавили водяной пар. Источник: Шон Уилкокс и Кристофер Кларк.

В 2001 году Тайсон Хедрик и его коллеги придумали оригинальный способ получить ответ на этот вопрос. Биомеханик из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, Хедрик знал, что крылья колибри отличаются от крыльев их ближайших сородичей — стрижей. Плечо и предплечье у колибри — короткие, и опору крыла в основном образуют кости кисти. Чтобы подсмотреть, как движется крыло на максимальной скорости, Хедрик объединил камеру, способную снимать со скоростью тысяча кадров в секунду, с рентгеновским аппаратом.

Просматривая кадры съемки один за другим, Хедрик заметил, что малейшие смещения костей сливались в непрерывный цикл, который и позволял понять механику работы крыла. Оказалось, когда колибри машут крыльями, они не просто двигают плечами вверх-вниз. Их ноу-хау — взмах с разворотом плоскости крыла. Благодаря этой модификации они летают на «высокой передаче», так что достаточно миллиметрового сокращения мышцы, чтобы задать крылу траекторию широкой дуги.

Когда-то высокоскоростные камеры были довольно неуклюжими и громоздкими — поди потаскай такую за собой в погоне за колибри! Сегодня они умещаются в кармане, и, если хочешь изучать колибри, без скоростной камеры не обойтись. Замедляя время, ученые могут узнать больше о том, что происходит, когда законы биологии сочетаются с законами физики. «Есть вещи, которые никак не увидеть невооруженным глазом, — говорит Кристофер Кларк. — А направишь на них высокоскоростную камеру и думаешь: «Ага! Так вот что эта птица там выделывает!».

9d3a2591c090c07abb6a7a0e305be56c.jpg

Чтобы «запастись горючим» для дневного полета, колибри могут выпивать нектара больше, чем весят сами. При этом языком они совершают до 15 лакающих движений в секунду. Раздвоенный язычок калипты Анны можно рассмотреть сквозь стеклянные стенки сосуда: колибри пьет искусственный нектар, в который для поддержания здоровья птиц в неволе добавлен белок и другие питательные вещества (крупинки в сосуде). Источник: А. Рико-Гевара, Калифорнийский университет (Беркли).

По словам Хендрика, когда некоторые виды расправляют хвосты, кидаясь вниз со скоростью 97 километров в час, раздается стрекотание — но этот звук рождают не голосовые связки, а колебание хвостовых перьев под действием мощного воздушного потока. Во время брачных игр некоторые виды колибри бьют крыльями почти вдвое чаще, чем обычно. Есть и такие умельцы, кто машет лишь одним крылом. А когда калипта Анны тормозит после маневра, на нее действует сила, превышающая силу тяжести примерно в девять раз. На ее месте летчик-истребитель мог бы потерять сознание, даже облачившись в противоперегрузочный костюм.

«Колибри способны творить чудеса, используя те же механизмы, что есть у всех прочих птиц», — рассказывает Дуг Альтшулер, специалист по сравнительной физиологии из Университета Британской Колумбии в Ванкувере. Изучая их образ жизни, мы можем существенно расширить наши представления об общих законах биологии.

…Летним утром через раскрытую дверь из комнаты, которую Альтшулер прозвал преисподней, исходит красное свечение. У его коллеги, Рослин Дейкин, лоб в испарине. Мы будто в баню попали, а все оттого, что шесть жидкокристаллических проекторов «рисуют» вертикальные полосы на стенах тоннеля, растянувшегося по всей длине помещения. Внутри тоннеля сидит самец калипты Анны. Сверху на него нацелено восемь камер.

Дейкин пытается понять, как этим малюткам удается управлять своим полетом. Прежде ученые считали, что в мозге летающих животных есть что-то вроде автопилота, позволяющего корректировать движение в соответствии с изменяющейся обстановкой. Так перемещаются пчелы, а за рулем — и мы с вами. Когда едешь по широкому шоссе, кажется естественным разогнаться до 120 километров в час, но где-нибудь на грунтовке, вдоль которой тянутся деревья, наверняка предпочтешь притормозить.

По-видимому, колибри играют по другим правилам. В одном из экспериментов Дейкин этим птахам приходится лететь через испытательный тоннель с движущимися вертикальными полосами. Невероятно, но факт: они летят с одинаковой скоростью вне зависимости от того, куда движутся полосы — в попутном направлении или во встречном.

88f4969fe9d9cba8c979021ab1371fee.jpg

В Стэнфордском университете: калипта Анны зависла в воздухе внутри специальной камеры, способной мгновенно фиксировать самые незначительные перепады давления, порождаемые каждым взмахом крыльев. Риверсу Ингерсоллу и Дэвиду Лентинку, разработавшим это устройство, пришлось обратиться к теории аэродинамики, чтобы рассчитать силы, действующие на птиц в свободном полете.

Мы наблюдаем, как по экрану хаотически прыгает зеленая точка — значит, колибри сидит в темноте и практически бездельничает. Время от времени малыш вылетает на середину тоннеля, но тут же бумерангом возвращается назад. «Просто бесит, когда они не делают, как ты хочешь, — признается Дейкин, — а именно так чаще всего и бывает». По ее мнению, колибри инстинктивно остерегаются крупных объектов, что помогает им избегать столкновений. Сегодня Рослин проецирует не полосы, а более сложные фигуры. И, чтобы проверить ее гипотезу, испытуемый должен пролететь по всему тоннелю от начала до конца — но уж больно своенравный характер у всех подопытных!

Вдруг тишину пронзает звонкое чириканье. Зеленая точка мчится по тоннелю, застывает у кормушки и возвращается на место. Дейкин оживляется — похоже, день задался. Она закладывает новые данные в компьютер и жмет на «пуск». На экране тысячи координат сплетаются в диаграмму, очень напоминающую елочную мишуру, поскольку раскрашена она всеми цветами радуги, — это трехмерная хроника 15 долгих секунд из стремительной жизни колибри.

 Брендан БОРРЕЛЛ

Фото: Ананд ВАРМА

nat-geo.ru

Комментарии пользователей (0)
Оставьте ваш комментарий первым
Для того чтобы оставить комментарий, необходимо подтвердить номер телефона.