Секреты охоты фламинго: птицы создают подводные торнадо для добычи пищи

Кажущееся безмятежное поведение фламинго, стоящих в мелководном щелочном озере с погруженными головами, на самом деле скрывает сложный и активный процесс охоты. Под поверхностью воды разворачивается настоящая буря, создаваемая самими птицами для эффективной добычи пищи.

Исследования чилийских фламинго в зоопарке Nashville Zoo и анализ 3D-печатных моделей их лап и L-образных клювов позволили ученым задокументировать, как эти птицы используют свои конечности и головы для создания вихревого шторма в воде. Эти водные торнадо помогают им эффективно концентрировать и поглощать свою добычу.

Виктор Ортега Хименес, доцент кафедры интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли, специализирующийся на биомеханике, поясняет, что фламинго на самом деле являются хищниками. Они активно ищут движущихся в воде животных, и главная проблема для них заключается в том, как сконцентрировать этих животных для последующего поглощения. Он сравнивает эту стратегию с пауками, которые плетут паутину для ловли насекомых: фламинго же используют вихри, чтобы захватывать таких животных, как, например, рачки артемии.

Ортега Хименес и его коллеги из Технологического института Джорджии в Атланте, Государственного университета Кеннесо в Мариетте (KSU-Marietta) и зоопарка Nashville Zoo публикуют результаты своих исследований на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследователи установили, что фламинго используют свои гибкие перепончатые лапы для взбалтывания донных отложений и направления их вперед в виде завихрений. Затем птицы, резко поднимая головы вверх, подобно поршням, создают мини-торнадо, которые поднимают эти завихрения к поверхности. Все это время головы птиц остаются перевернутыми внутри водного вихря, а их изогнутые клювы быстро смыкаются и размыкаются, создавая более мелкие вихри, направляющие осадок и пищу в рот, где она затем отфильтровывается.

Клюв фламинго уникален своей уплощенной передней частью, расположенной под углом. Когда голова птицы перевернута в воде, эта плоская часть оказывается параллельной дну. Это позволяет фламинго применять еще одну технику, называемую «скимминг» или скольжение по поверхности. Птица использует свою длинную S-образную шею, чтобы толкать голову вперед, одновременно быстро хлопая клювом, что создает вихревые дорожки Кармана, эффективно захватывающие добычу.

Ортега Хименес отмечает, что этот набор активных пищевых стратегий опровергает устоявшееся представление о фламинго как о пассивных фильтраторах.

Он подчеркивает, что кажется, будто они просто фильтруют пассивные частицы, но на самом деле эти птицы охотятся на активно движущихся животных.

Открытые им принципы могут быть использованы для разработки усовершенствованных систем концентрации и всасывания мельчайших частиц из воды, например, микропластика. Также они могут лечь в основу создания более эффективных самоочищающихся фильтров, основанных на принципе «щелканья» клювом, или роботов, способных, подобно фламинго, передвигаться по грязи.

Ортега Хименес, уроженец Пуэблы, Мексика, заинтересовался пищевым поведением фламинго во время визита в зоопарк Zoo Atlanta со своей женой и дочерью еще до пандемии COVID-19. Снимая на видео процесс кормления птиц, он видел лишь рябь на поверхности воды.

Он говорит, что они ничего не знают о том, что происходит под водой, и именно этот вопрос его тогда заинтересовал.

Будучи в то время постдокторантом в Государственном университете Кеннесо в Джорджии, Ортега Хименес сделал изучение питания фламинго своим следующим исследовательским проектом. Он видит себя, по его словам, современным натуралистом-дарвинистом, исследующим поведение самых разных животных, от нематод и мух до ногохвосток и птиц, фокусируясь на том, как животные взаимодействуют со своим окружением, включая воздух, воду и электромагнитные поля, и как они им манипулируют.

Из Государственного университета Кеннесо он перешел в Технологический институт Джорджии, где работал в лаборатории Саада Бхамлы. Там он сотрудничал с инженерами, и они получили доступ к чилийским фламинго в зоопарке Nashville Zoo. Команда снимала их кормление в большом лотке, используя лазер для подсветки пузырьков газа в воде, чтобы визуализировать вихри, создаваемые головами и клювами птиц.

После переезда в Университет Мэна в Ороно в качестве доцента, Ортега Хименес усовершенствовал 3D-печатные модели клюва и лапы фламинго для более точного изучения движения воды и частиц во время хлопанья клювом, или «щелканья», которое птицы используют во время еды.

В 2024 году он снова сменил место работы, перейдя в Калифорнийский университет в Беркли, где провел эксперименты, чтобы выяснить, насколько эффективно «щелканье» клювом и топанье лапами помогают захватывать живых рачков артемии. Новая научная статья обобщает всю эту совместную работу.

В Калифорнийском университете в Беркли он прикрепил настоящий клюв фламинго к приводу для имитации «щелканья» и добавил небольшой насос в ротовую полость, чтобы имитировать работу языка и всасывать захваченных рачков артемии. С помощью этой установки ему удалось установить, что «щелканье» является ключевым элементом питания фламинго. Он утверждает, что «щелканье» фактически увеличивает количество рачков артемии, проходящих через ротовое отверстие, в семь раз, так что очевидно, что этот процесс усиливает захват добычи клювом.

Ортега Хименес объясняет, что процесс добычи пищи начинается с работы лап. Если понаблюдать за фламинго на очень мелководье, часто можно увидеть, как они «танцуют» на месте или по кругу.

Лапы у них перепончатые, но, как и у многих болотных птиц, они гибкие. Поэтому, когда птица поднимает лапу, перепонка складывается и легко отделяется от дна без эффекта присасывания, который затрудняет ходьбу по грязи для человека. При ходьбе или беге фламинго, кажется, скорее скользят лапами по воде, чем топают – техника, которая могла бы помочь роботам передвигаться по воде или грязи.

Ортега Хименес создал модели как жестких, так и гибких лап фламинго, чтобы сравнить, как эти два варианта конструкции влияют на поток жидкости. Он обнаружил, что гибкие лапы гораздо эффективнее выталкивают вихри осадка вперед при каждом шаге, в то время как жесткие перепонки в основном создают турбулентность.

Создав 3D-модель L-образного клюва, он смог показать, что подтягивание головы прямо вверх в воде создает вихрь, закручивающийся вокруг вертикальной оси, что также концентрирует частицы пищи. Он измерил скорость движения головы, которая составила около 40 сантиметров в секунду. Эти небольшие торнадо оказались достаточно сильными, чтобы захватывать даже проворных беспозвоночных, таких как рачки артемии и микроскопические ракообразные, называемые веслоногими рачками.

«Щелканье» клювом также создает вихри вокруг него. В этом случае фламинго держит верхнюю часть клюва неподвижной, хотя она и способна к независимому движению, и двигает только нижней челюстью – как обнаружил Ортега Хименес, около 12 раз в секунду во время «щелканья».

Тьен Йи, соавтор статьи и профессор KSU-Marietta, применил методы вычислительной гидродинамики для компьютерного моделирования трехмерного потока вокруг клюва и лап. Он подтвердил, что вихри действительно концентрируют частицы, что согласуется с экспериментами с использованием 3D-печатной головы в гидролотке как с активно плавающими рачками артемии, так и с пассивно плавающими их яйцами.

Ортега Хименес рассказывает, что когда они поместили 3D-печатную модель в гидролоток для имитации так называемого «скимминга», они наблюдали образование симметричных вихрей по бокам клюва, которые рециркулируют частицы в воде, так что они фактически попадают в клюв. Это, по его словам, такой трюк гидродинамики.

Его следующие проекты направлены на определение роли поршнеобразного языка фламинго и того, как гребенчатые края клюва отфильтровывают добычу из соленой, а иногда и токсичной воды.

Он заключает, что фламинго – это сверхуспециализированные животные для фильтрационного питания. Дело не только в голове, но и в шее, ногах, лапах и всех поведенческих приемах, которые они используют для эффективного захвата этих крошечных и проворных организмов.