Højhastighedskameraer afslører, hvordan kolibrier kan dreje på en tallerken
Kolibrier er fuglelivets jagerpiloter, de dykker og flyver med hastigheder på op til 55 kilometer i timen og vender så på et øjeblik for at svæve i luften med hektiske vingeslag, mens de tanker op med nektar. Nu er forskerne efter en kæmpeindsats kommet et skridt nærmere på at finde ud af, hvad der gør dyrene så adræt. Det nye arbejde hjælper ikke kun med at forklare deres komplekse koreografi, men kan også føre til mere manøvredygtige robotter og droner.
Biologer har målt, hvor hurtigt kolibrier kan flyve, og hvor længe de kan svæve, men manøvredygtighed – alt det frem og tilbage – er “notorisk svært at studere”, siger Peter Wainwright, der er evolutionsbiolog ved University of California (UC), Davis, og som ikke har deltaget i det nye arbejde. Det skyldes, at “det involverer et kompliceret sæt af mulige bevægelser, og det er meget spontant.”
Det stoppede ikke Paolo Segre, der dengang var kandidatstuderende ved University of British Columbia i Vancouver, Canada. Han besluttede sig for at prøve ved at filme kolibrier i naturen, som er mindre hæmmede i forhold til at flyve end deres modstykker i fangenskab. For at forberede sig brugte han det meste af et år på at perfektionere og miniaturisere et computerkoordineret system med fire kameraer til højhastighedsoptagelser.
To måneder senere var Segre i Peru. Han og hans hold vandrede op ad bjerge og gennem jungler for at finde det perfekte sted. Da de havde slået lejr, byggede de et stort bur udstyret med det solcelledrevne kamerasystem og begyndte at teste deres kolibrier, en efter en. Forskerne filmede hver enkelt fugl i ca. 30 minutter, mens den fløj rundt mellem siddepinde og besøgte en nektarfodringsstation indeni. Derefter lod de fuglen gå og gentog processen. Segre og hans hold opstillede stationer tre andre steder: de ecuadorianske Andesbjerge og lejre på høj og lav højde i Costa Rica.
Det var ikke let at få fat i dataene. I Peru blev holdets forsøgssted oversvømmet af hærmyrer i to dage i træk. I Costa Rica måtte Segre og hans kolleger vade gennem krokodillebefængt vand – om natten – midt i et lynnedslag. “Vi blev mest skræmt af lynene”, husker Segre, der nu er økofysiolog ved Stanford University i Palo Alto, Californien. Forskerne lavede i sidste ende videoer af 207 fugle tilhørende 25 arter.
Når de havde dataene, udviklede Segres laboratoriekollega, postdoc Roslyn Dakin, der nu arbejder på Smithsonian Migratory Bird Center i Washington, D.C., sammen med sine kolleger avanceret software til at analysere dem. Da der var fire kameraer, kunne forskerne rekonstruere hver enkelt fugls flyvemønster i tre dimensioner og måle antallet af gange, hvor den accelererede, bremsede, drejede, rullede, svævede eller dykkede, blandt andre manøvrer. Hver af disse enkle bevægelser gentog sig og blev kombineret i forudsigelige mønstre. “Mere komplekse manøvrer var sammensat af sekvenser af enklere manøvrer”, forklarer Segre.
Når forskerne sammenlignede flyvemønstre mellem arter, fandt de, at hver art havde en tendens til at holde sig til de manøvrer, den var bedst til (noget, der især gælder for sving). Men de var overraskede over at finde ud af, at tungere kolibriarter generelt var bedre til at accelerere og foretage snævre sving. På baggrund af undersøgelser af fugle og flagermus havde holdet forventet det stik modsatte. “Men større kolibriarter var faktisk mere manøvredygtige,” siger Dakin. Årsagen: De kraftigere kolibrier havde relativt større muskler og vinger end mindre arter, rapporterer hun og hendes kolleger i dag i Science.
Der viste sig flere andre tendenser. Manøvreadfærd, der var forskellig fra art til art, var generelt afhængig af strukturelle og fysiologiske træk som f.eks. vingestørrelse, vingens overfladeareal, vægt og muskelmasse. Endelig fandt holdet, da de grupperede fuglene på baggrund af deres flyvemønstre, at grupperne afspejlede kolibri-familietræet: De mere nært beslægtede arter havde lignende flyvemønstre.
Dakin siger, at denne nye “ramme” for manøvredygtighed kan hjælpe robotforskere med at forstå, hvordan de kan justere deres flyvere, så de er mindre klodsede og skrøbelige. Særligt nyttig er kolibriernes evne til at generere hurtige vingebevægelser, hvilket hjælper med smidighed, siger Andrew Biewener, biomekaniker ved Harvard University. Som følge heraf, tilføjer Robert Dudley, der er biolog på UC Berkeley, er der nu endnu flere ingeniører end biologer, der studerer dyrenes flyvning.