Ten maleńki szmaragdowy koliber czerwonodzioby (Chlorostilbon gibsoni) żywi się tysiącami kwiatów dziennie. Kristiina Hurme, CC BY-ND

Kolibry żyją z niezrozumiałymi prędkościami. Ich akrobacje w locie są niesamowite, manewrujące bardziej jak owady niż ptaki gdy latają dookoła, lecąc do góry nogami, a nawet do tyłu. Są rozmyte, gdy ścigają się między kwiatami. Kiedy zatrzymują się na chwilę, aby odwiedzić kwiat, liżą 15 do 20 razy na sekundę, aby wydobyć swoje paliwo nektarowe.

{youtube}O_QyP810Riw{/youtube}

To, co nas tak intryguje, to wynik tego prostego wyboru dietetycznego: piją nektar. Każdy kwiat nie oferuje wiele, więc aby żyć z niewielkich ilości nektaru rozsianego po lesie, kolibry są malutkie, szybkie i zadziorne.

Żywienie się nektarem jest cechą charakterystyczną kolibrów, ale do tej pory naukowcy nie znali dokładnej mechaniki tego, jak to robią. W naszym nowym badaniu byliśmy w stanie spowolnić je na wideo, aby zobaczyć jak naprawdę piją nektar. I to, co odkryliśmy, było zupełnie inne niż konwencjonalna mądrość od XIX wieku.

Karmienie rurką?

Chude języki kolibrów są mniej więcej tej samej długości co ich dzioby. Są doskonale przystosowane do sięgania w głąb kwiatu. Przez ponad 180 lat, naukowcy uważali, że do picia nektaru kolibry polegały na działaniu kapilarnym. Pomysł polegał na tym, że ich języki wypełniłyby się nektarem w taki sam sposób, jak mała szklana rurka wypełnia się biernie wodą.

Fizyka działania kapilarnego opiera się na dwóch siłach. Adhezja cząsteczek cieczy do ścianek rurki sprawia, że ​​ciecz wspina się po ściankach. Napięcie powierzchniowe utrzymuje płyn razem i ciągnie całą kolumnę płynu do góry.

Długi, chudy język kolibra ma dwa rowki biegnące przez środek i kończy się rozwidlonym czubkiem, który rozprzestrzenia się w nektarze. Alejandro Rico-Guevara, CC BY-NDTeoria działania kapilarnego miała sens, ponieważ język kolibra ma dwa rowki przypominające rurki. Byłby to prosty, pasywny sposób przemieszczania się nektaru w górę języka.

Kolibry są szybsze niż to

Ale od oglądania kolibrów w moim (Rico-Guevara's) z Kolumbii, uważaliśmy, że kapilarność nie była wystarczająco szybka, aby nadążyć za tym, jak żywią się kolibry. Przewidywaliśmy, że kapilarność była zbyt wolna aby uwzględnić szybkie tempo wylizywania obserwowane u wolno żyjących kolibrów. Pamiętaj, że potrafią osuszyć nektar z kwiatów za pomocą około 15 lizawek w mniej niż sekundę!

Cztery lata temu jeden z nas (Rico-Guevara) i kolega Małgorzata Rubega zakwestionował konwencjonalne przekonania o działaniu kapilarnym po raz pierwszy. Pokazaliśmy, że rozwidlone końcówki języka nie są statyczne, ale dramatycznie rozłożone w nektarze, z frędzlami, które otwierają się jak małe rączki. Kiedy koliber wycofuje język z nektaru, prążki te zamykają się z powodu fizycznych sił napięcia powierzchniowego i Ciśnienie Laplace'a, zatrzymując krople nektaru w swoich uchwytach. Dzięki tej transformacji kształtu języka, końcówki języka nie pozostają w kształcie rurki niezbędnej do działania kapilarnego.

Jak więc reszta języka wypełnia się nektarem?

Postanowiliśmy zbadać mieszankę gatunków kolibrów, aby zobaczyć, co te ptaki naprawdę robią z kwiatami. Potrzebowaliśmy sposobu na zmierzenie grubości języka podczas procesu picia – proste, ale niełatwe zadanie.

Zaprojektowaliśmy przezroczyste sztuczne kwiaty, które sfilmowaliśmy kamerami w zwolnionym tempie. Na podstawie tych filmów mogliśmy śledzić kształt języka przez cały cykl lizania. Najtrudniejszą częścią było przekonanie dzikich kolibrów do picia na polecenie. Z biegiem czasu wyszkoliliśmy ich, przyzwyczajając ich do fałszywych podajników kwiatów i całej naszej konfiguracji filmowej.

Odkrywanie nauki dzięki filmowi w zwolnionym tempie

Kiedy koliber wkłada dziób do kwiatu, nadal musi wsadzić swój długi język głębiej do środka, aby dostać się do wnętrza nektaru. Gdy język wypełni się nektarem, ptak cofa język z powrotem do dzioba. Naukowcy już wiedzieli że aby utrzymać nektar w dziobie, koliber ściska język czubkami dzioba, gdy jest on przedłużany do następnego lizania. To ściska i spłaszcza język na wyjściu, pozostawiając nektar wewnątrz dzioba. Sposób, w jaki nektar jest przenoszony z czubka dzioba do miejsca, w którym można go połknąć pozostaje nieznany.

Aby zbadać mechanizm wypełniania języka, skupiliśmy się na spłaszczonym kształcie języka, od którego zaczyna się każde lizanie. Gdyby kolibry używały kapilarności, po tym, jak nektar dostał się do pyska ptaka, język musiałby natychmiast odzyskać swój rurkowaty kształt, zanim ponownie dotknie nektaru.

Przyglądając się uważnie naszym filmom w zwolnionym tempie, na których ptaki piją przezroczyste kwiaty, zauważyliśmy, że język pozostał spłaszczony po ściskaniu, nawet gdy leciał w powietrzu, by dotrzeć do nektaru na kolejny łyk. Nie wrócił do swojego pierwotnego kształtu przypominającego rurkę przed wypiciem.

Przebadaliśmy 18 gatunków kolibrów iw setkach lizawek odkryliśmy, że język pozostawał spłaszczony, dopóki nie dotknie nektaru. Było to kluczowe odkrycie, ponieważ pokazało, że język nie ma pustej przestrzeni wewnątrz potrzebnej do działania kapilarnego. Wreszcie, możemy śmiało wykluczyć kapilarność jako ważną dla picia z kolibrów.

{youtube}QYoYQAbPXbU{/youtube}

Jak naprawdę pompują nektar?

To, co odkryliśmy, wykracza poza zwykłe obalanie kapilarności. Kolibry znalazły nieoczekiwany sposób na bardzo szybkie przemieszczanie cieczy w tej mikroskali: ich języki to elastyczne mikropompki.

Rowki w języku kolibra nie sięgają gardła, więc ptak nie może ich używać jako małe słomki. Z tego powodu zamiast używać podciśnienia do generowania ssania – wyobraźmy sobie picie lemoniady ze słomki – system działa jak maleńka pompka, napędzana sprężystością języka. Ptak zgniata język płasko, a kiedy się otwiera, ta ekspansja szybko wciąga nektar do rowków w języku. Okazuje się, że to energia sprężystości – potencjalna energia mechaniczna zmagazynowana przez spłaszczenie języka – pozwala kolibrom zbierać nektar znacznie szybciej, niż gdyby polegały na kapilarności.

Podczas gdy pióro porusza się w powietrzu, energia sprężystości obciążona ściankami rowka podczas spłaszczania jest zachowywana przez pozostałą warstwę płynu wewnątrz rowków, działając jako klej. Kiedy język dotyka nektaru, dopływ płynu umożliwia uwolnienie energii sprężystej, która rozszerza rowki i wciąga nektar, aby wypełnić język.

Gdy koliber pije, każde lizanie zbiera nektar, jednocześnie szybko przygotowując pompkę językową do następnego lizania. Alejandro Rico-Guevara, CC BY-NDJako biolodzy byliśmy podekscytowani tym nowym odkryciem, ale potrzebowaliśmy pomocy eksperta w dziedzinie dynamiki płynów, Tai-Hsi wentylator, aby dokładnie wyjaśnić fizykę mikropompy tego kolibra i dokonać nowych przewidywań.

Nasze badania pokazują, jak naprawdę piją kolibry, i dostarczają pierwszych narzędzi matematycznych do dokładnego modelowania ich spożycia energii. Odkrycia te wpłyną na nasze zrozumienie ich decyzji dotyczących żerowania, ekologii i koewolucji z zapylanymi roślinami.

Nasze bieżące badania porównują nasz nowy model z ile kolibry nektarowe piją w dzikich kwiatachi przygląda się kompromisom między sprawne picie i walka o dominację nad terytoriami albo w celu przyciągnięcia samic, pożywienia, albo obu.

O autorze

Alejandro Rico-Guevara jest pracownikiem naukowym w dziedzinie ekologii i biologii ewolucyjnej na Uniwersytecie Connecticut. Jest funkcjonalnym morfologiem wykorzystującym ptaki karmiące nektarem jako model badawczy, aby wypełnić lukę między naszą wiedzą o wzorcach ekologicznych i koewolucyjnych a ich mechanizmami. Więcej na alejorico.com

Kristiina Hurme jest pracownikiem naukowym w dziedzinie ekologii i biologii ewolucyjnej na Uniwersytecie Connecticut

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązana książka:

at

Dzięki za odwiedziny InnerSelf.com, gdzie są 20,000 + zmieniające życie artykuły promujące „Nowe postawy i nowe możliwości”. Wszystkie artykuły są tłumaczone na 30+ języków. Zapisz się! do wydawanego co tydzień magazynu InnerSelf i Daily Inspiration Marie T Russell. Magazyn InnerSelf ukazuje się od 1985 r.