Szybkie kamery ujawniają, jak kolibry mogą obracać się w mgnieniu oka
Kolibry są pilotami myśliwskimi świata ptaków, Nurkowanie i tkanie z prędkością do 55 kilometrów na godzinę, a następnie obracanie się w miejscu, aby zawisnąć w powietrzu, skrzydła gorączkowo biją, jak uzupełnić paliwo na nektar. Teraz, dzięki heroicznym wysiłkom, naukowcy są o krok bliżej do ustalenia, co sprawia, że zwierzęta te są tak zwinne. Nowa praca nie tylko pomaga wyjaśnić ich złożoną choreografię, ale może również prowadzić do bardziej zwrotnych robotów i dronów.
Biolodzy mają zegar jak szybko kolibry mogą latać i jak długo mogą zawisnąć, ale zwrotność – wszystko to zipping tam i z powrotem – jest „notorycznie trudne do zbadania”, mówi Peter Wainwright, biolog ewolucyjny na Uniwersytecie Kalifornijskim (UC), Davis, który nie był częścią nowej pracy. To dlatego, że „obejmuje skomplikowany zestaw możliwych ruchów, i to jest bardzo spontaniczne.”
To nie powstrzymało Paolo Segre, wtedy student absolwent na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej w Vancouver, Kanada. Postanowił spróbować sfilmować kolibry w środowisku naturalnym, które są mniej zahamowane przed lataniem niż ich odpowiedniki w niewoli. Aby się przygotować, spędził lepszą część roku doskonaląc i miniaturyzując cztery kamery, komputerowo skoordynowany system do filmowania z dużą prędkością.
Dwa miesiące później, Segre był w Peru. On i jego zespół wędrowali po górach i przedzierali się przez dżunglę, aby znaleźć idealne miejsce. Kiedy już rozbili obóz, zbudowali dużą klatkę wyposażoną w system kamer zasilanych energią słoneczną i zaczęli testować kolibry, jednego po drugim. Badacze filmowali każdego ptaka przez około 30 minut, gdy przelatywał między grzędami i odwiedzał znajdującą się w środku stację karmienia nektarem. Następnie wypuszczali ptaka i powtarzali ten proces. Segre i jego zespół założył stacje w trzech innych miejscach: w Andach Ekwadorskich oraz w obozach o wysokiej i niskiej wysokości w Kostaryce.
Uzyskanie danych nie było łatwe. W Peru, zespół miejsce testowania był roi się od mrówek wojskowych przez 2 dni prosto. W Kostaryce Segre i jego koledzy musieli przedzierać się przez zarażone krokodylami wody – w nocy, w środku burzy z piorunami. „Byliśmy przerażeni głównie błyskawicami” – wspomina Segre, obecnie ekofizjolog na Uniwersytecie Stanforda w Palo Alto w Kalifornii. Naukowcy ostatecznie nagrali filmy z 207 ptaków należących do 25 gatunków.
Gdy już mieli dane, koleżanka z laboratorium Segre, postdoc Roslyn Dakin, obecnie w Smithsonian Migratory Bird Center w Waszyngtonie, D.C., opracowała wraz z kolegami zaawansowane oprogramowanie do ich analizy. Ponieważ były cztery kamery, badacze mogli zrekonstruować wzór lotu każdego ptaka w trzech wymiarach, mierząc, ile razy przyspieszał, zwalniał, obracał się, turlał, wzbijał się w powietrze, czy gołębiał, wśród innych manewrów. Każdy z tych prostych ruchów powtarzał się i łączył w przewidywalne wzory. „Bardziej złożone manewry składały się z sekwencji prostszych manewrów”, wyjaśnia Segre.
Gdy badacze porównali wzorce lotów wśród gatunków, stwierdzili, że każdy z nich miał tendencję do trzymania się manewrów, w których był najlepszy (co szczególnie dotyczyło obrotów). Ale byli zaskoczeni odkryciem, że cięższe gatunki kolibrów były ogólnie lepsze w przyspieszaniu i wykonywaniu ciasnych skrętów. Opierając się na badaniach ptaków i nietoperzy, zespół spodziewał się czegoś dokładnie odwrotnego. „Ale większe gatunki kolibrów były w rzeczywistości bardziej zwrotne,” mówi Dakin. Powód: Te heftier hummerów miał stosunkowo większe mięśnie i skrzydła niż mniejsze gatunki, ona i jej koledzy raport dziś w Science.
Several inne trendy pojawiły. Manewrowanie zachowania, które różniły się od gatunków do gatunków generalnie sprowadza się do strukturalnych i fizjologicznych cech, takich jak rozmiar skrzydła, powierzchnia skrzydła, waga i masa mięśniowa. Wreszcie, kiedy zespół pogrupował ptaki na podstawie ich wzorców lotu, odkrył, że klastry odzwierciedlają drzewo genealogiczne kolibrów: Bardziej blisko spokrewnione gatunki miały podobne wzorce lotu.
Dakin mówi, że ta nowa zwrotność „ramy” może pomóc robotykom zrozumieć, jak podrasować ich lotników, aby byli mniej niezgrabni i delikatni. Szczególnie przydatna jest zdolność kolibrów do generowania szybkich ruchów skrzydłami, co pomaga w zwinności, mówi Andrew Biewener, biomechanik z Uniwersytetu Harvarda. W rezultacie, dodaje Robert Dudley, biolog organizmów z UC Berkeley, nawet więcej inżynierów bada obecnie lot zwierząt niż biologów.