Nopeat kamerat paljastavat, miten kolibrit voivat kääntyä hetkessä
Kolibrit ovat lintumaailman hävittäjälentäjiä, Ne sukeltavat ja kiemurtelevat jopa 55 kilometrin tuntinopeudella – ja kääntyvät sitten hetkessä leijumaan ilmaan, siivet hurjasti lyövät, kun ne tankkaavat nektaria. Nyt tutkijat ovat sankarillisten ponnistelujen ansiosta päässeet askeleen lähemmäs sen selvittämistä, mikä tekee eläimistä niin ketteriä. Uusi työ ei ainoastaan auta selittämään niiden monimutkaista koreografiaa, vaan se voi myös johtaa entistä ketterämpien robottien ja lennokkien kehittämiseen.
Biologit ovat mitanneet, kuinka nopeasti kolibrit voivat lentää ja kuinka kauan ne voivat leijua ilmassa, mutta ketteryyttä – kaikkea sitä edestakaista hyppelyä – on ”tunnetusti vaikea tutkia”, sanoo Kalifornian yliopiston (UC) Davisin evoluutiobiologian laitoksen evoluutiologian tutkija Peter Wainwright, joka ei ole ollut osallisena uudessa työssä. Tämä johtuu siitä, että ”siihen liittyy monimutkainen joukko mahdollisia liikkeitä, ja se on hyvin spontaania.”
Se ei estänyt Paolo Segreä, joka oli tuolloin jatko-opiskelija British Columbian yliopistossa Vancouverissa Kanadassa. Hän päätti kokeilla kuvaamalla kolibreja luonnossa, jotka eivät ole yhtä estyneitä lentämään kuin vankeudessa elävät lajitoverinsa. Valmistautuakseen hän käytti lähes vuoden täydellistääkseen ja pienentääkseen tietokoneella koordinoitua neljän kameran järjestelmää nopeaa kuvausta varten.
Kaksi kuukautta myöhemmin Segre oli Perussa. Hän ja hänen tiiminsä vaelsivat vuorille ja ryömivät viidakoissa löytääkseen täydellisen kuvauspaikan. Kun he olivat pystyttäneet leirin, he rakensivat suuren häkin, jossa oli aurinkoenergialla toimiva kamerajärjestelmä, ja alkoivat testata kolibrejaan yksi kerrallaan. Tutkijat kuvasivat kutakin lintua noin 30 minuutin ajan, kun se lensi istuimelta toiselle ja kävi sisällä sijaitsevalla nektariruokinta-asemalla. Sitten he päästivät linnun menemään ja toistivat prosessin. Segre ja hänen tutkimusryhmänsä perustivat asemia kolmeen muuhun paikkaan: Ecuadorin Andeille sekä Costa Ricassa sijaitseville korkealla ja matalalla sijaitseville leireille.
Tietojen saaminen ei ollut helppoa. Perussa tiimin testauspaikka oli armeijan muurahaisten parveilema kahden päivän ajan putkeen. Costa Ricassa Segre ja hänen kollegansa joutuivat kahlaamaan krokotiilien saastuttamien vesien poikki – yöllä – keskellä ukkosmyrskyä. ”Meitä kauhistutti lähinnä salama”, muistelee Segre, joka toimii nykyään ekofysiologina Stanfordin yliopistossa Palo Altossa, Kaliforniassa. Tutkijat tekivät lopulta videoita 207 linnusta, jotka kuuluivat 25 lajiin.
Kun he saivat tiedot, Segren laboratoriotoveri, post doc Roslyn Dakin, joka työskentelee nykyään Smithsonian Migratory Bird Centerissä Washingtonissa, D.C:ssä, kehitti kollegojensa kanssa kehittyneen ohjelmiston niiden analysoimiseksi. Koska kameroita oli neljä, tutkijat pystyivät rekonstruoimaan kunkin linnun lentokuvion kolmiulotteisesti ja mittaamaan muun muassa, kuinka monta kertaa lintu kiihdytti ja hidasti vauhtiaan, kääntyi, pyörähti, lensi, nousi tai sukelsi. Jokainen näistä yksinkertaisista liikkeistä toistui ja yhdistyi ennustettaviksi kuvioiksi. ”Monimutkaisemmat manööverit koostuivat yksinkertaisempien manööverien sarjoista”, Segre selittää.
Kun tutkijat vertasivat eri lajien lentokuvioita keskenään, he havaitsivat, että kullakin lajilla oli taipumus pitäytyä niissä manöövereissä, joissa se oli parhaimmillaan (tämä pätee erityisesti käännöksiin). He olivat kuitenkin yllättyneitä havaitessaan, että painavammat kolibrilajit olivat yleisesti ottaen parempia kiihdyttämään ja tekemään tiukkoja käännöksiä. Lintuja ja lepakoita koskevien tutkimusten perusteella ryhmä oli odottanut juuri päinvastaista. ”Kookkaammat kolibrilajit olivat kuitenkin itse asiassa ketterämpiä”, Dakin sanoo. Syy: Hän ja hänen kollegansa raportoivat tänään Science-lehdessä.
Muutama muukin suuntaus tuli esiin. Lajikohtaisesti erilaiset manööverikäyttäytymiset johtuivat yleensä rakenteellisista ja fysiologisista ominaisuuksista, kuten siipien koosta, siipien pinta-alasta, painosta ja lihasmassasta. Kun tutkimusryhmä ryhmitteli linnut niiden lentotapojen perusteella, he havaitsivat, että klusterit heijastivat kolibrin sukupuuta: Läheisemmin sukua olevilla lajeilla oli samankaltaiset lentomallit.
Dakin sanoo, että tämä uusi ohjattavuuden ”viitekehys” voisi auttaa robotiikan kehittäjiä ymmärtämään, miten heidän lentäjiään voitaisiin virittää niin, että ne olisivat vähemmän kömpelöitä ja hauraita. Erityisen hyödyllinen on kolibrin kyky tuottaa nopeita siipiliikkeitä, mikä auttaa ketteryydessä, sanoo Andrew Biewener, biomekaanikko Harvardin yliopistosta. Tämän seurauksena, lisää Berkeleyn yliopistossa työskentelevä organismibiologi Robert Dudley, jopa useammat insinöörit kuin biologit tutkivat nykyään eläinten lentoa.