Исследование формы крыла у 1139 видов птиц выявило, что экстремальные стили полёта сильнее ограничивают морфологию, чем обычные.
Многие виды, особенно воробьинообразные, оказались далеки от теоретического идеала.
Разнообразие форм птичьих крыльев: от стремительного стрижа до подводного «полёта» пингвина. Иллюстрация: ECOportal.su / ИИ
Краткое содержание
- Учёные Бристольского университета создали математическую модель всех теоретически возможных форм птичьих крыльев и наложили на неё данные по 1 139 видам птиц из 36 отрядов.
- Ключевыми параметрами, определяющими разнообразие крыльев, стали общая ширина крыла и расположение самой широкой части (у основания или ближе к кончику).
- Оптимальная форма крыла жёстко задана для стремительных охотников и акробатов (например, стрижей), но для большинства птиц важнее универсальность, а не максимальная эффективность полёта.
- Идеальные аэродинамические формы часто недостижимы в природе: птицы идут на компромиссы — например, альбатросы не имеют максимально «эффективных» крыльев, потому что сверхдлинные крылья осложняют взлёт и посадку на суше.
Исследование демонстрирует, что форма крыла — это результат баланса между аэродинамической эффективностью и биологическими ограничениями, а также требованиями среды обитания.
Международная команда исследователей из Бристольского университета решила разобраться, как именно форма птичьего крыла связана с полётными «талантами» его обладателя. Вместо того чтобы просто изучать существующих птиц, учёные пошли другим путём: они создали математическую модель всех теоретически возможных форм крыльев, а затем наложили на неё реальные данные. Это позволило увидеть не только то, что природа «придумала», но и то, что она по каким‑то причинам «отвергла». Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Как измеряли крылья
В анализ попали данные о 1 139 видах современных птиц из 36 отрядов. По фотографиям расправленных крыльев из музейных коллекций учёные оцифровали контур каждого крыла и с помощью сложного математического анализа перевели эти очертания в цифры. Так родилась виртуальная коллекция из 506 возможных форм крыльев — от реально существующих до чисто гипотетических.
Главных параметров, описывающих разницу между крыльями, оказалось два. Первый (он объясняет почти 54 % всего разнообразия) — это общая ширина: от узких и стремительных, как у стрижа, до широких. Второй параметр (22 %) показывает, где именно крыло шире — у основания или ближе к кончику.
Когда учёные нанесли реальные данные на тепловую карту, они увидели два больших «сгустка». В первый, с узкими и стройными крыльями, попали в основном водоплавающие и стрижеобразные. Во второй, со средними значениями, — самое многочисленное «население»: воробьиные, кукушки, курообразные.
Четыре показателя идеального полёта
Чтобы оценить лётные качества каждой формы, учёные выбрали четыре ключевые характеристики:
- Экономичность (удлинение крыла): чем длиннее и уже крыло относительно своей площади, тем меньше энергии тратится на полёт.
- Манёвренность: насколько легко птица может поворачивать.
- Ловкость (ловкость по тангажу): способность быстро переходить от спокойного полёта к резким, акробатическим движениям. Это критически важно для охоты в воздухе.
- Аэродинамический баланс (угол кончика): острые кончики снижают сопротивление воздуха, а широкие — создают большую подъёмную силу.
Самым жёстким «ограничителем» формы оказалась именно ловкость. Пик оптимальности в этой зоне плотно занят самыми разными птицами — от поганок и фламинго до стрижей. Похоже, способность к быстрому манёвру — фундаментальное требование для многих.
Почему альбатрос не идеален?
Самый интересный вопрос — почему многие птицы, чей образ жизни, казалось бы, требует совершенства, до идеала не дотягивают? Исследование показало, что в природе сплошь и рядом приходится идти на компромисс.
Взять, к примеру, морских странников — альбатросов и буревестников. Теоретически для их энергоэффективного парения над океаном форма крыла должна быть ещё более экстремальной. Но на деле они «не дотягивают» до расчётного идеала. Учёные предполагают, что сверхдлинные крылья, прекрасные для скольжения над волнами, могут быть ужасной помехой при взлёте и посадке на суше, где птицам нужно размножаться.
А вот у воздушных акробатов и пловцов ситуация иная. Колибри, зависающие над цветком, и даже пингвины, «летающие» под водой, находятся очень близко к теоретическому оптимуму ловкости. Их форма совпадает с идеальной более чем на 90 %, потому что их среда обитания не прощает ошибок и требует максимальной отдачи.
Интересно, что по показателю экономичности ни один современный вид даже не приблизился к возможному пику. Даже южный королевский альбатрос с его рекордным удлинением крыла находится в неоптимальной зоне. Вероятно, идеальные аэродинамические формы лежат за гранью биологической реальности — построить такое крыло из перьев и костей попросту невозможно или слишком затратно.
Родственники ни при чём
Учёные проверили, влияет ли родство на форму крыла, и были удивлены: оно объясняет лишь ничтожную часть вариаций. Иными словами, похожие по форме крылья независимо появлялись у самых далёких друг от друга видов, например у колибри и нектарниц, ласточек и стрижей. Это яркий пример конвергентной эволюции, когда одинаковый образ жизни «лепит» из разного материала сходные конструкции.
В «атласе» всех возможных форм остались и обширные белые пятна. Так, в природе не нашлось крыльев с очень узкими кончиками и массивным основанием. Возможно, такие варианты просто невыгодны: крыло птицы — это не только летательный аппарат, но и средство коммуникации (брачные демонстрации никто не отменял), а иногда и одеяло для птенцов.
Что в итоге?
Исследование показало: для стремительных охотников и акробатов форма крыла — это действительно жёсткий шаблон, продиктованный физикой. Но для большинства обычных птиц — воробьёв, кур, кукушек — требования к конструкции куда мягче. Им важнее не выжимать из полёта последний процент эффективности, а быть «универсалами», выполняя множество задач. Их лётные способности, возможно, куда сильнее зависят от подвижности суставов и работы мышц, чем от идеально выверенного контура крыла.
Источник: ecoportal.su