Hochgeschwindigkeitskameras zeigen, wie Kolibris sich blitzschnell drehen können
Kolibris sind die Jagdflieger der Vogelwelt, Sie tauchen und fliegen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 55 Stundenkilometern, um dann mit wild schlagenden Flügeln in der Luft zu schweben, um Nektar zu tanken. Jetzt sind die Forscher durch ihre herkulischen Bemühungen einen Schritt näher daran, herauszufinden, was diese Tiere so flink macht. Die neue Arbeit hilft nicht nur, ihre komplexe Choreographie zu erklären, sondern könnte auch zu wendigeren Robotern und Drohnen führen.
Biologen haben gemessen, wie schnell Kolibris fliegen und wie lange sie schweben können, aber die Manövrierfähigkeit – all das Hin- und Herschwirren – ist „notorisch schwer zu untersuchen“, sagt Peter Wainwright, ein Evolutionsbiologe an der University of California (UC), Davis, der nicht an der neuen Arbeit beteiligt war. Das liegt daran, dass „es sich um eine komplizierte Reihe möglicher Bewegungen handelt, die sehr spontan sind“
Das hielt Paolo Segre, damals Doktorand an der University of British Columbia in Vancouver, Kanada, nicht auf. Er beschloss, es mit dem Filmen von Kolibris in freier Wildbahn zu versuchen, die weniger Hemmungen beim Fliegen haben als ihre Artgenossen in Gefangenschaft. Zur Vorbereitung verbrachte er fast ein ganzes Jahr damit, ein computergesteuertes System mit vier Kameras für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zu perfektionieren und zu miniaturisieren.
Zwei Monate später war Segre in Peru. Er und sein Team kletterten auf Berge und kämpften sich durch den Dschungel, um den perfekten Standort zu finden. Nachdem sie ihr Lager aufgeschlagen hatten, bauten sie einen großen Käfig mit einem solarbetriebenen Kamerasystem und begannen, einen Kolibri nach dem anderen zu testen. Die Forscher filmten jeden Vogel etwa 30 Minuten lang, während er zwischen den Sitzstangen hin und her flog und eine Nektarfütterungsstation im Inneren aufsuchte. Dann ließen sie den Vogel los und wiederholten den Vorgang. Segre und sein Team richteten an drei weiteren Orten Stationen ein: in den ecuadorianischen Anden sowie in hoch- und niedriggelegenen Lagern in Costa Rica.
Die Gewinnung der Daten war nicht einfach. In Peru wurde das Testgelände des Teams zwei Tage lang von Armeeameisen bevölkert. In Costa Rica mussten Segre und seine Kollegen mitten in einem Gewitter durch krokodilverseuchte Gewässer waten – bei Nacht. „Wir hatten vor allem Angst vor den Blitzen“, erinnert sich Segre, der heute Ökophysiologe an der Stanford University in Palo Alto, Kalifornien, ist. Die Wissenschaftler machten schließlich Videos von 207 Vögeln, die zu 25 Arten gehörten.
Nachdem sie die Daten hatten, entwickelte Segre’s Laborkollegin, Postdoc Roslyn Dakin, jetzt am Smithsonian Migratory Bird Center in Washington, D.C., zusammen mit ihren Kollegen eine ausgeklügelte Software, um sie zu analysieren. Da vier Kameras vorhanden waren, konnten die Forscher das Flugmuster jedes Vogels in drei Dimensionen rekonstruieren und unter anderem messen, wie oft er beschleunigte, abbremste, sich drehte, rollte, aufstieg oder tauchte. Jede dieser einfachen Bewegungen wiederholte und kombinierte sich zu vorhersehbaren Mustern. „Komplexere Manöver setzten sich aus einer Abfolge von einfacheren Manövern zusammen“, erklärt Segre.
Als die Forscher die Flugmuster der verschiedenen Arten verglichen, stellten sie fest, dass jede Art dazu neigte, sich an die Manöver zu halten, die sie am besten beherrschte (was insbesondere für Drehungen galt). Sie waren jedoch überrascht, dass schwerere Kolibriarten im Allgemeinen besser beschleunigen und enge Kurven fliegen können. Aufgrund von Studien an Vögeln und Fledermäusen hatte das Team genau das Gegenteil erwartet. „Aber größere Kolibriarten waren tatsächlich wendiger“, sagt Dakin. Der Grund dafür: Diese kräftigeren Kolibris hatten relativ größere Muskeln und Flügel als kleinere Arten, berichten sie und ihre Kollegen heute in Science.
Es zeigten sich noch weitere Trends. Das Manövrierverhalten, das sich von Art zu Art unterschied, hing im Allgemeinen mit strukturellen und physiologischen Merkmalen wie Flügelgröße, Flügelfläche, Gewicht und Muskelmasse zusammen. Als das Team die Vögel schließlich nach ihren Flugmustern gruppierte, stellte es fest, dass die Gruppen den Stammbaum der Kolibris widerspiegelten: Näher verwandte Arten hatten ähnliche Flugmuster.
Dakin sagt, dass dieses neue „Gerüst“ der Manövrierfähigkeit den Robotikern dabei helfen könnte, ihre Flieger so zu optimieren, dass sie weniger plump und zerbrechlich sind. Besonders nützlich ist die Fähigkeit der Kolibris, schnelle Flügelbewegungen auszuführen, was der Beweglichkeit zugute kommt, sagt Andrew Biewener, Biomechaniker an der Harvard University. Robert Dudley, Biologe an der UC Berkeley, fügt hinzu, dass sich inzwischen sogar mehr Ingenieure als Biologen mit dem Flug von Tieren beschäftigen.