Фізика у світі тварин: колібрі та її політ

Колібрі — невеликі за розміром птахи, які мешкають і в Північній, і в Південній Америці. Існує 330 видів колібрі, причому переважна більшість – це яскраво забарвлені птахи дуже невеликого розміру. Важать колібрі лише кілька грамів. Максимальний розмір одного з видів колібрі майже дорівнює розміру звичайного шпака. Найменша колібрі важить 2 грами, довжина її тіла лише кілька сантиметрів.

Колібрі примітні не лише розміром. Справа в тому, що ці птахи – майстри польоту високого класу. Вони можуть літати практично в будь-якому напрямку, зависати у повітрі, здійснювати вертикальний зліт та посадку. Зависати на місці можуть і деякі інші птахи, але колібрі перевершують інші види, зупиняючись на одному місці надовго і без видимих ​​зусиль.

Під час польоту на місці колібрі доводиться виписувати крилами вісімку. Завдяки цьому птах тримається у повітрі у вертикальному положенні. Швидкість помахів крил колібрі величезна - близько 50-80 помахів за секунду. Але це не межа. Доглядаючи самку самець одного з видів колібрі робить більше 200 помахів за секунду. Розгін до максимальної швидкості та миттєва зупинка у цих птахів відбувається практично миттєво, лише за кілька секунд. Швидкість невеликої пташки досягає 50 км/год, що справді багато для такої невеликої істоти.

За словами Дугласа Уорріка [Douglas Warrick] з університету Орегона (Oregon State University), колібрі використовують стиль польоту, який є проміжним між стилем птахів та стилем комах.У процесі польоту ці тварини отримують близько 25% підйомної сили руху крил вгору і 75% від руху вниз. У комах справа дещо інакше: від руху крил вгору і вниз тіло отримує близько 50% підйомної сили. Більшість птахів тіло отримує підйомну силу переважно від руху крил униз.

Крістофер Кларк [Christopher Clark] з Університету Каліфорнії за допомогою швидкісної камери відобразив момент входження колібрі в піку. Проведені розрахунки показали, що колібрі розвивають швидкість приблизно 400 корпусів в секунду. Це більше, ніж у включеного на форсажі реактивного винищувача або шатла, що входить в атмосферу Землі. Незважаючи на швидкість, колібрі та гальмують практично миттєво, про що вже згадувалося. Так швидко зупиняти рух можуть дуже небагато організмів, здатних літати.

Колібрі перевершують у мистецтві польоту переважна більшість птахів. Та й структура тіла, будова крил у них відрізняється від усіх інших пернатих. Для того, щоб отримати можливість так швидко махати крилами, колібрі повинні мати короткі та прямі кістки плеча та передпліччя. Кістки крил – міцні та легкі завдяки тому, що вони порожнисті. Структура самого крила дуже жорстка завдяки тому, що низка суглобів просто не рухається.

Плечові суглоби гнучкі. Завдяки цьому вони можуть рухатися у будь-якому напрямку. Також вони можуть обертатись приблизно на 180 градусів. Плюс до всього, колібрі можуть змінювати кут крила зміни траєкторії руху. На це здатне дуже мало видів птахів. Крім кісток, мають бути й потужні м'язи. У колібрі маса м'язів крил становлять близько 40% усієї маси тіла.

Для забезпечення м'язів киснем під час роботи потрібний ще й кисень.Його колібрі отримують завдяки розвиненій дихальній системі, яка включає 9 повітряних мішків. Вони складають з легкими єдину систему.

Забезпечити весь організм киснем - непросте завдання. Але з нею справляється велике серце, що займає приблизно половину тіла птаха. Під час польоту пульс птиці прискорюється до 1200 ударів у хвилину. Дихання теж дуже швидке - аж до 600 циклів вдих-видих за хвилину.

Для такої активної роботи потрібні і поживні речовини. Більшість колібрі отримує достатню кількість енергії з нектару — дуже калорійної речовини, яка практично миттєво переробляються травною системою птиці. Самі. Практично вся енергія витрачається на політ. 42 °С. Вночі температура падає до 15-22 °С.

Для видобутку потрібної кількості їжі колібрі використовують свій довгий дзьоб, здатний проникнути глибоко в філіжанку квітки. .Ця форма допомагає нектару залишатися мовою тоді, коли колібрі вирішили підкріпитися.

Нектар захоплюється мовою і завдяки формі мови надходить прямо в горло. Щоб забезпечити свій організм достатньою кількістю енергії, ряд видів колібрі повинні харчуватися дуже часто – кожні 10-20 хвилин. Літати птахи можуть і під дощем – це необхідно для їхнього виживання. Якби колібрі не могли літати під дощем, це поставило б під загрозу виживання ряду видів.

Дивують колібрі ще й тим, що здатні перелітати на великі відстані. Наприклад, рубіногірлий колібрі на зимівлю перелітає з Канади до Мексики та Панами. Відстань перельоту складає 5000 км. Середня швидкість польоту – близько 50 кілометрів на годину. Далеко не всі великі птахи здатні витримати такий тривалий і виснажливий переліт, не кажучи вже про дрібні пташки.

Вчені стверджують, що колібрі просто створено для польоту. Навряд чи буде перебільшенням сказати, що колібрі є найкращими літунами у світі.

Як дихають комахи?

Комахам, як і людям, для життя потрібен кисень, і вони виробляють вуглекислий газ як побічний продукт. Однак на цьому подібність між дихальними системами комах та людини, по суті, закінчується. Комахи не мають легень, і вони не переносять кисень через систему кровообігу, як це роблять люди. Натомість дихальна система комах заснована на простому газообміні, при якому тіло комахи омивається киснем і викидається вуглекислий газ.

Дихальна система комах

У комах повітря потрапляє у дихальну систему через низку зовнішніх отворів, які називають дихальцями.Ці дихальця, які у деяких комах діють як м'язові клапани, ведуть до внутрішньої дихальної системи, що складається з переплетених трубок, званих трахеями.

Щоб спростити концепцію дихальної системи комах, уявіть її як губку. Губка має невеликі отвори, які дозволяють воді усередині зволожувати її. Так само отвори дихальця пропускають повітря у внутрішню систему трахеї, омиваючи тканини комахи киснем. Вуглекислий газ, метаболічні відходи, виходить із організму через дихальця.

Як комахи контролюють дихання?

Комахи можуть певною мірою контролювати дихання. Вони можуть відкривати та закривати дихальця за допомогою м'язових скорочень. Наприклад, комаха, яка живе в умовах пустелі, може тримати свої дихальця закритими, щоб запобігти втраті вологи. Це досягається за рахунок скорочення м'язів, що оточують дихальце. Щоб відкрити дихальце, м'язи розслаблюються.

Комахи можуть накачувати м'язи, щоб нагнітати повітря в трахеальні трубки, тим самим прискорюючи доставку кисню. У разі спеки або стресу комахи можуть навіть випускати повітря, почергово відкриваючи різні дихальні засоби і використовуючи м'язи для розширення або скорочення свого тіла. Однак, швидкість дифузії газу або заповнення внутрішньої порожнини повітрям контролювати не можна. Через це обмеження, поки комахи продовжують дихати за допомогою системи дихання і трахеї, з погляду еволюції вони навряд чи стануть набагато більшими, ніж зараз.

Як дихають водні комахи?

У той час як кисню багато в повітрі (200 000 частин на мільйон), він значно менш доступний у воді (15 частин на мільйон у прохолодній проточній воді).Незважаючи на цю респіраторну проблему, багато комах живуть у воді принаймні на деяких стадіях свого життєвого циклу.

Як водні комахи отримують необхідний їм кисень, перебуваючи під водою? Щоб збільшити поглинання кисню у воді, всі водні комахи, крім найменших, використовують інноваційні структури, такі як зяброві системи та структури, подібні до людських трубок і аквалангів, щоб втягувати кисень і витісняти вуглекислий газ.

Комахи з зябрами

У багатьох комах, що мешкають у воді, є зябра-трахеї, які являють собою багатошарові розширення їх тіл, які дозволяють їм поглинати більшу кількість кисню з води. Ці зябра найчастіше розташовані на черевці, але в деяких комах вони перебувають у дивних та несподіваних місцях. У деяких веснянок, наприклад, анальні зябра виглядають як скупчення ниток, що відходять від їх задніх кінців. У німф бабок є зябра у прямій кишці.

Гемоглобін може затримувати кисень

Гемоглобін може сприяти захопленню молекул кисню з води. Личинки некусаючих мошок із сімейства Chironomidae і деяких інших груп комах мають гемоглобін, як і хребетні. Личинок хірономід часто називають мотилем, тому що гемоглобін надає їм яскраво-червоного кольору. Мотиль може процвітати у воді із винятково низьким рівнем кисню. Звиваючись в мулистому дні озер і ставків, мотиль здатний насичувати гемоглобін киснем.Коли вони перестають рухатися, гемоглобін виділяє кисень, що дозволяє їм дихати навіть у забрудненому водному середовищі. Цей резервний запас кисню може тривати всього кілька хвилин, але зазвичай цього часу достатньо, щоб комаха перемістилася більш насичену киснем воду.

Система снорклінгу

Деякі водні комахи, такі як щурині личинки, підтримують зв'язок з повітрям на поверхні через структуру, схожу на трубку. Деякі комахи мають модифіковані дихальні, які можуть проникати в підводні частини водних рослин і отримувати кисень з повітряних каналів усередині їх коріння або стебла.

Підводне плавання з аквалангом

Деякі водні жуки і справжні жуки можуть пірнати, несучи з собою тимчасовий міхур повітря, подібно до аквалангіста, який носить балон з повітрям. Інші, такі як жуки, підтримують постійну повітряну плівку навколо свого тіла. Ці водні комахи захищені сітчастою мережею волосків, які відштовхують воду, забезпечуючи їм постійний приплив повітря, з якого вони можуть черпати кисень. Ця структура повітряного простору, яка називається пластроном, дозволяє їм постійно залишатися під водою.

Джерела

Гуллан, П.Дж. та Кренстон, П.С. «Комахи: нарис ентомології, 3-тє видання». Уайлі-Блеквелл, 2004 р.

Меррітт, Річард В. та Каммінс, Кеннет В. «Введення у водних комах Північної Америки». Видавництво Кендалл / Хант, 1978

Мейєр, Джон Р. «Дихання водних комах». Кафедра ентомології Державного університету Північної Кароліни (2015).

Ukraineer

Птахи витрачають під час польоту величезну кількість енергії. Їх спосіб пересування вплинув на всі системи органів.Птахи не можуть собі дозволити великі та важкі органи, тому наголос було зроблено на ефективність їхньої роботи. У результаті дихальна система птахів, яка постійно покращувалася в ході еволюції, на сьогоднішній день є однією з найскладніших серед усіх хребетних.

1. Повітря в організм птиці надходить через дві ніздрі, розташовані над дзьобом. Після цього через горлянку він надходить у довгу трахею. Переходячи в грудну порожнину, трахея поділяється на два бронхи. У місці розгалуження трахеї птахів знаходиться розширення – так звана нижня гортань. Тут розташовані голосові зв'язки. Легкі у птахів розташовуються в порожнині тіла негаразд, як в людини. Вони міцно прикріплені до ребрів та хребетного стовпа, малоеластичні і не можуть розтягуватися, наповнюючись киснем.

2. Повітря проходить крізь легені транзитом. У цьому органі залишається лише близько 25% кисню, що надійшов. Основна ж частина прямує далі – у повітряні мішки. Птахи мають п'ять пар повітряних мішків, які є виростами відгалужень бронхів. Повітряні мішки здатні розтягуватися при надходженні повітря. Це і буде вдих птаха.

3. При видиху повітря з повітряних мішків спрямовується назад у легені, та був виходить назовні. Таким чином, хоча роботу легких птахів можна назвати недостатньо інтенсивною порівняно з легкими людини, завдяки подвійному дихання птах отримує достатню для неї кількість кисню.

4. У стані спокою птахи дихають завдяки розширенню та звуженню грудної клітки. Під час польоту грудна клітка пернатих залишається практично нерухомою, і процес дихання здійснюється за рахунок інших механізмів. При підйомі крил повітряні мішки птиці розтягуються, і повітря мимоволі засмоктується у легені, та був і мішки. Коли птах опускає крила, повітря з повітряних мішків виштовхується. Чим інтенсивніше птах махає крилами, тим частіше він дихає.