Większość ptaków przelatujących przez gęste, liściaste lasy ma strategię manewrowania przez ciasne okna w roślinności – zginają skrzydła w nadgarstku lub łokciu i przechodzą przez nie.
Ale kolibry nie mogą zginać kości skrzydeł podczas lotu, więc jak przedostają się przez szczeliny między liśćmi i splątanymi gałęziami?
Badanie opublikowane dzisiaj w Journal of Experimental Biology pokazuje, że kolibry wyewoluowały swoje własne, unikalne strategie – w rzeczywistości dwie z nich. Strategie te nie były wcześniej zgłaszane, prawdopodobnie dlatego, że hummery manewrują zbyt szybko, aby ludzkie oko mogło je zobaczyć.
W przypadku szczelin przypominających szczeliny, które są zbyt wąskie, aby pomieścić ich rozpiętość skrzydeł, przepychają się na boki przez szczelinę, nieustannie trzepocząc skrzydłami, aby nie stracić wysokości.
W przypadku mniejszych dziur – lub jeśli ptaki są już zaznajomione z tym, co ich czeka po drugiej stronie – składają skrzydła i przelatują przez nie, po czym wznawiają trzepotanie.
„Dla nas, rozpoczynających eksperymenty, domyślną opcją byłoby zawijanie i ślizganie. Jak inaczej mogliby się przedostać?” powiedział Robert Dudley, profesor biologii integracyjnej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i główny autor artykułu. „Ta koncepcja ruchu bocznego z całkowitym pomieszaniem kinematyki skrzydeł jest całkiem niesamowita — to nowatorska i nieoczekiwana metoda przejścia apertury. Zmieniają amplitudę uderzeń skrzydeł, tak aby nie opadały pionowo, gdy robią to na boki.”
Stosowanie wolniejszej techniki przesuwania na boki może pozwolić ptakom na lepszą ocenę nadchodzących przeszkód i pustych przestrzeni, zmniejszając w ten sposób prawdopodobieństwo kolizji.
„Dowiedzenie się więcej o tym, jak zwierzęta pokonują przeszkody i inne elementy składowe środowiska, takie jak podmuchy wiatru lub turbulentne obszary, może poprawić nasze ogólne zrozumienie poruszania się zwierząt w złożonych środowiskach” – zauważa pierwszy autor Marc Badger, który uzyskał stopień doktora ..D z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w 2016 r. „Nadal nie wiemy zbyt wiele na temat tego, w jaki sposób lot przez bałagan może być ograniczony przez procesy geometryczne, aerodynamiczne, sensoryczne, metaboliczne lub strukturalne. Nawet ograniczenia behawioralne mogą wynikać ze skutków długoterminowych, takich jak jako zużycie ciała, na co wskazuje zmiana w technice negocjacji apertury, którą zaobserwowaliśmy w naszym badaniu”.
Zauważył, że zrozumienie strategii stosowanych przez ptaki do manewrowania w zagraconym środowisku może ostatecznie pomóc inżynierom w projektowaniu dronów, które będą lepiej poruszać się w złożonym środowisku.
„Obecne zdalnie sterowane quadrotory mogą osiągać lepsze wyniki niż większość ptaków na otwartej przestrzeni pod względem większości wskaźników wydajności. Czy jest zatem jakiś powód, aby kontynuować naukę od natury?” powiedział Borsuk. „Tak. Myślę, że chodzi o to, jak zwierzęta wchodzą w interakcję ze złożonym środowiskiem. Jeśli umieścimy mózg ptaka w quadrotorze, czy ptak-cyborg, czy zwykły ptak, będzie lepiej latał przez gęsty las na wietrze? Może być wiele zmysłowych i fizyczne zalety trzepotania skrzydłami w turbulentnym lub zagraconym otoczeniu.”
Tor przeszkód
Aby odkryć, jak kolibry – w tym przypadku cztery lokalne kolibry Anny (Calypte anna) – prześlizgują się przez maleńkie otwory, mimo że nie mogą złożyć skrzydeł, Badger i Dudley połączyli siły ze studentami Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Kathryn McClain, Ashley Smiley i Jessicą Ye .
„Stworzyliśmy dwustronny arenę lotów i zastanawialiśmy się, jak wyszkolić ptaki, aby przeleciały przez szczelinę o powierzchni 16 centymetrów kwadratowych w przegrodzie oddzielającej obie strony” – powiedział Borsuk, zauważając, że rozpiętość skrzydeł kolibrów wynosi około 12 centymetrów ( 4 3/4 cala). „Wtedy Kathryn wpadła na niesamowity pomysł, aby zastosować naprzemienne nagrody”.
Oznacza to, że zespół umieścił karmniki w kształcie kwiatów zawierające łyk roztworu cukru po obu stronach przegrody, ale uzupełniał je zdalnie dopiero po tym, jak ptak odwiedził karmnik po przeciwnej stronie. Zachęcało to ptaki do ciągłego przelotu pomiędzy dwoma karmnikami przez otwór.
Następnie badacze zmieniali kształt otworu, od owalnego do okrągłego, o wysokości, szerokości i średnicy od 12 cm do 6 cm, a następnie filmowali manewry ptaków szybkimi kamerami. Badger napisał program komputerowy do śledzenia położenia dzioba i końcówek skrzydeł każdego ptaka w miarę zbliżania się i przechodzenia przez otwór.
Odkryli, że gdy ptaki zbliżały się do otworu, często zawisały na chwilę w powietrzu, aby to ocenić, zanim przeleciały na boki, sięgając jednym skrzydłem do przodu, jednocześnie odchylając drugie do tyłu, i trzepocząc skrzydłami, aby utrzymać ciężar podczas przelotu przez otwór. Następnie odchylili skrzydła do przodu i kontynuowali podróż.
„Rzeczy w tym, że muszą nadal utrzymywać ciężar, który pochodzi z obu skrzydeł, a następnie kontrolować ciąg poziomy, który popycha je do przodu. Robią to z prawym i lewym skrzydłem, robiąc bardzo dziwne rzeczy, – powiedział Dudley. „Po raz kolejny jest to kolejny przykład tego, jak po wciśnięciu w jakiejś eksperymentalnej sytuacji możemy uzyskać funkcje kontrolne, których nie widzimy u zwykłego unoszącego się w powietrzu kolibra”.
Alternatywnie, ptaki odchyliły skrzydła do tyłu i przygwoździły je do ciał, strzelając najpierw dziobem, jak kula, po czym przerzuciły skrzydła do przodu i po bezpiecznym przebiciu wznowiły trzepotanie.
„Wydaje się, że gdy lepiej zapoznają się z systemem, stosują szybszą metodę, przejście balistyczne” – powiedział Dudley.
Dopiero gdy zbliżały się do najmniejszych otworów, które miały połowę rozpiętości skrzydeł, ptaki automatycznie uciekały się do podwijania i szybowania, mimo że nie były zaznajomione z konfiguracją.
Zespół zauważył, że tylko około 8% ptaków podcięło skrzydła podczas przechodzenia przez przegrodę, choć jeden doświadczył poważnej kolizji. Nawet wtedy ptak szybko doszedł do siebie, po czym ponownie podjął próbę manewru i udał się w dalszą drogę.
„Możliwość wyboru spośród kilku strategii pokonywania przeszkód może pozwolić zwierzętom na niezawodne przeciskanie się przez wąskie szczeliny i regenerację po błędach” – zauważył Badger.
Dudley ma nadzieję przeprowadzić dalsze eksperymenty, być może z sekwencją różnych apertur, aby określić, w jaki sposób ptaki pokonują wiele przeszkód.
Prace zostały sfinansowane głównie z grantu CiBER-IGERT przyznanego przez Narodową Fundację Nauki (DGE-0903711).