Nagysebességű kamerák felfedik, hogyan tudnak a kolibrik egy pillanat alatt megfordulni
A kolibrik a madárvilág vadászpilótái, akár 55 km/órás sebességgel ugrálnak, majd egy pillanat alatt megfordulnak, hogy a levegőben lebegve, szárnyaikkal vadul csapkodva, nektárt tankoljanak. Most a kutatók hatalmas erőfeszítések árán egy lépéssel közelebb kerültek ahhoz, hogy kiderítsék, mitől ilyen fürgék ezek az állatok. Az új munka nemcsak segít megmagyarázni bonyolult koreográfiájukat, hanem manőverezőbb robotok és drónok kifejlesztéséhez is vezethet.
A biológusok már megszámolták, hogy a kolibrik milyen gyorsan tudnak repülni és mennyi ideig tudnak lebegni, de a manőverezőképesség – a sok ide-oda ugrálás – “közismerten nehezen tanulmányozható” – mondja Peter Wainwright, a Davis-i Kaliforniai Egyetem (UC) evolúcióbiológusa, aki nem vett részt az új munkában. Ez azért van így, mert “a lehetséges mozgások bonyolult halmazát foglalja magában, és nagyon spontán.”
Ez nem akadályozta meg Paolo Segre-t, aki akkoriban a kanadai Vancouverben található University of British Columbia végzős hallgatója volt. Úgy döntött, hogy megpróbálkozik a vadon élő kolibrik filmezésével, amelyek kevésbé gátlásosak a repülésben, mint fogságban tartott társaik. A felkészüléshez az év nagy részét azzal töltötte, hogy tökéletesítse és miniatürizálja a nagy sebességű filmezéshez szükséges négykamerás, számítógéppel koordinált rendszert.
Két hónappal később Segre Peruban volt. Csapatával hegyeket másztak meg és dzsungeleken törtek át, hogy megtalálják a tökéletes helyszínt. Miután letáboroztak, felépítettek egy nagy ketrecet, amelyet felszereltek a napelemes kamerarendszerrel, és elkezdték egyenként tesztelni a kolibriket. A kutatók minden egyes madarat körülbelül 30 percig filmeztek, amint az ülőkék között röpködtek, és meglátogattak egy nektárral táplálkozó állomást a belsejében. Ezután elengedték a madarat, és megismételték a folyamatot. Segre és csapata három másik helyszínen állított fel állomásokat: az ecuadori Andokban, valamint Costa Rica magas és alacsonyan fekvő táboraiban.
Az adatok megszerzése nem volt egyszerű. Peruban a csapat tesztelési helyszínét 2 napon keresztül folyamatosan ellepték a hadsereg hangyái. Costa Ricában Segre és kollégái krokodiloktól hemzsegő vizeken gázoltak át – éjszaka, villámlás közepette. “Leginkább a villámoktól rettegtünk” – emlékszik vissza Segre, aki ma a kaliforniai Palo Altóban található Stanford Egyetem ökofiziológusa. A tudósok végül 25 faj 207 madaráról készítettek videókat.
Amikor már megvoltak az adatok, Segre munkatársa, Roslyn Dakin posztdoktor, aki jelenleg a washingtoni Smithsonian Migratory Bird Centerben dolgozik, kollégáival kifinomult szoftvert fejlesztett ki az adatok elemzésére. Mivel négy kamera volt, a kutatók három dimenzióban tudták rekonstruálni az egyes madarak repülési mintázatát, megmérve többek között azt, hogy hányszor gyorsítottak, lassítottak, fordultak, gurultak, szárnyaltak vagy lebuktak. Ezek az egyszerű mozdulatok mindegyike megismétlődött és kiszámítható mintázattá állt össze. “A bonyolultabb manőverek egyszerűbb manőverek sorozataiból álltak össze” – magyarázza Segre.
Amikor a kutatók összehasonlították a fajok repülési mintáit, azt találták, hogy mindegyik faj hajlamos ragaszkodni azokhoz a manőverekhez, amelyekben a legjobb (ami különösen igaz a fordulókra). Meglepődve tapasztalták azonban, hogy a nehezebb kolibri fajok általában jobbak voltak a gyorsításban és a szűk fordulók végrehajtásában. A madarakkal és denevérekkel végzett tanulmányok alapján a csapat pont az ellenkezőjére számított. “De a nagyobb kolibri fajok valójában manőverezőbbek voltak” – mondja Dakin. Az ok: Ezeknek a nagyobb testű kolibriknek viszonylag nagyobb izmaik és szárnyaik voltak, mint a kisebb fajoknak, jelentik kollégáival együtt a Science című folyóiratban.
Még több más tendencia is kiderült. A fajonként eltérő manőverezési viselkedések általában olyan szerkezeti és fiziológiai tulajdonságoktól függtek, mint a szárnyméret, a szárnyfelület, a súly és az izomtömeg. Végül, amikor a csapat a madarakat a repülési mintáik alapján csoportosította, azt találták, hogy a klaszterek a kolibrik családfáját tükrözték: A közelebbi rokonságban álló fajok hasonló repülési mintákkal rendelkeztek.
Dakin szerint ez az új manőverezőképességi “keretrendszer” segíthet a robotikusoknak abban, hogy megértsék, hogyan kell a repülőket úgy alakítani, hogy kevésbé legyenek esetlenek és törékenyek. Andrew Biewener, a Harvard Egyetem biomechanikusa szerint különösen hasznos, hogy a kolibrik képesek gyors szárnymozgásokat generálni, ami segíti a mozgékonyságot. Ennek eredményeként – teszi hozzá Robert Dudley, a Berkeley Egyetem szervezetbiológusa – ma már még több mérnök tanulmányozza az állatok repülését, mint biológus.