Энергетика полета птиц
Изучение метаболизма чаек и волнистых попугайчиков проводилось в аэродинамической трубе во время полета по горизонтали, с подъемом и со спуском Исследование показало, насколько экономно птицы могут расходовать «топливо».
Даже самые мелкие птицы не только часами находятся в воздухе, но и пролетают без остановки сотни и даже тысячи миль со скоростью, доступной лишь самым быстрым из наземных животных. Определялся расход энергии у волнистых попугайчиков и смеющихся чаек, летящих с разными скоростями в аэродинамической трубе. Прямые данные получены только для этих птиц, относящихся к тем немногим видам, о которых подобная информация вообще имеется.
Скорость и длительность, делающие полет птиц столь интересным, в то же время затрудняют измерение энергетических затрат. Для определения расхода энергии при обычном полете и зависании применялись самые разные методы, в том числе аэродинамические расчеты, измерения потери веса во время полета, анализ выведения меченых веществ, исследование потребления кислорода. Последний метод точнее остальных, которые опираются на не очень достоверные предположения. Все эти приемы имеют один общий недостаток – они не позволяют изменять скорость, длительность и направление полета в эксперименте, а значит, и соотносить эти факторы с параметрами метаболических процессов.
Именно в этом и состоит преимущество использования аэродинамической трубы. В начале эксперимента попугайчика или чайку помещают в испытательную камеру трубы таким образом, чтобы птица летела навстречу воздушному потоку. Так, можно заставить птицу лететь относительно движущегося воздуха с такой же скоростью, как в естественных условиях, и при этом она будет неподвижной по отношению к экспериментатору. Экспериментатор может заставить птицу лететь быстрее или медленнее, варьируя скорость воздушного потока. Он может также устанавливать различную длительность полета и менять траекторию с горизонтальной на восходящую или нисходящую.
Для имитации восходящей траектории трубу наклоняют так, чтобы ее передний конец приподнялся. Птица летела в прозрачной маске, — выдыхаемый воздух собирался и анализировался (определялась скорость высвобождения энергии при расщеплении жиров и углеводов); измерялось количество потребляемого кислорода и выдыхаемой углекислоты. Согласно расчетам, 70 % энергии для полета дает расщепление жиров.
Затраты энергии на полет зависят от скорости полета и угла подъема. Про полете по горизонтали для волнистого попугайчика оптимальной была скорость 35 км/ч – затраты энергии при этом составляли 105 кал/г-час; при меньшей и большей скоростях – затраты энергии возрастали. При полете с подъемом затраты энергии возрастают и при полете со снижением – падают при увеличении скорости с 19 до 35 км/ч. Для чаек диапазон скоростей наиболее экономного полета 30-44,5 км/ч. при восходящем потоке чайки летели в трубе не более нескольких минут. Наблюдениями в природе эти данные были подтверждены – показатели скорости были близки к экспериментальным, а набор высоты для чаек более характерен именно с использованием восходящих потоков, а не машущих движений.
Данные исследований в аэродинамической трубе наводят на мысль о том, что птицы в естественных условиях могут экономить энергию, выбирая энергетически оптимальный маршрут. При оптимальных скоростях волнистый попугайчик расходует 1,1 % массы своего тела, сжигая жир, а чайки – до 0,55 %. Поскольку некоторые птицы способны накапливать жир в количестве до половины массы тела, то можно предположить, что этого хватает на десятки часов перелета. При крейсерской скорости 35-42 км/ч волнистый попугайчик тратит 0,05 % массы тела на 1,6 км пути. Оптимальная скорость при полете на дальность для этого вида – 41, 5 км/ч, включая подьем и снижение.
Эти данные подтверждают сведения о птицах, которые пролетают более 3000 км, не питаясь в пути (бурокрылая ржанка).
Эффективность полета птиц – отношение между затратами энергии и совершаемой работой. Т.е., — какая часть расходуемой энергии идет на совершение полезной работы?
В отличие от обычного показателя КПД – для птиц расчет эффективности логичнее будет соотнести изменение мощности на выходе при отклонении вниз или вверх от горизонтальной траектории и соответствующими изменениями затрат энергии (мощности на входе).
Для волнистых попугайчиков характерен высокий КПД на минимальной скорости при наборе высоты (более 50%). При увеличении скорости он падает до 15-18%. Высокий КПД при увеличении тяги на небольшой скорости вполне соответствует биологии попугайчиков, собирающих корм на земле и поднимающихся в воздух с большой скоростью на большую высоту. Благодаря высокой эффективности использования энергии на малых скоростях птица может подняться в воздух и достичь нужной скорости с минимальными затратами энергии.
Изучение КПД попугайчиков наводит на мысль, что полет некоторых дятлов и вьюрков с характерными частыми спусками и подъемами возможно, служит средством экономии энергии, — если КПД выше для подъема, чем для спуска, птица может экономить энергию, летая волнообразным полетом.
Удельные затраты энергии (перенос 1 г массы тела на 1 км) для летающих и бегающих животных неравнозначно, — летающие животные расходуют энергию более экономно. Наземные четвероногие равной массы затрачивают энергии в 10-15 раз больше.
Полет голубя более экономичен, чем полет легкого самолета, а полет казарки по удельным затратам энергии менее емок, чем у реактивного транспортного самолета.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник
Главным источником энергии перелетных птиц оказался белок в мышцах
Группа ученых под руководством Массачусетского университета в Амхерсте установила, на каком «топливе» летят птицы, когда совершают два раза в год перелеты на расстояние более 2000 км. Оказалось, что в начале полета птицы сжигают сравнительно немного жира и удивительно много белка. После перелета белок в мышцах практически выгорает. Жир расходуется гораздо экономнее.
Птица, вес которой составляет 15-20 граммов, пролетает тысячу километров без остановки, непрерывно взмахивая крыльями. Откуда берется энергия?
«Птицы — удивительные животные», — говорит Кори Элоу, ведущий автор статьи, — «Они просто — экстремалы, чемпионы выносливости»
Долгое время биологи предполагали, что птицы получают энергию, сжигая в полете жировые запасы. И действительно, жир является важной частью «топлива» перелетных птиц. Опыты, поставленные учеными в новой работе, это подтвердили, но выяснилось и кое-что неожиданное. Элоу говорит: «Птицы в наших тестах сжигали жир с постоянной скоростью на протяжении всего полета. Но мы обнаружили, что они еще и сжигают белок, причем с чрезвычайно высокой скоростью в самом начале полета». Маленькие певчие птицы могут сжечь 20% своей мышечной массы, — это практически весь белок в мышцах, и всего за несколько дней отдыха мышечная масса восстанавливается.
Как «горит» белок
Ученые исследовали пеночку-весничку — небольшую певчую птицу, преодолевающая тысячи километров во время миграции. Орнитологи отловили несколько десятков птиц на озере Эри и провели серию экспериментов в аэродинамической трубе, созданной специально для наблюдения за птицами в полете. Перед «полетом» в трубе ученые измеряли жировую массу птиц и вычисляли сухую массу (без жира), а затем, после захода солнца, выпускали птиц в полет. Поскольку птицы мигрируют круглосуточно, Элоу и его коллегам, иногда приходилось не спать по 28 часов, пока птица не решит отдохнуть. В этот момент исследователи забирали птицу и снова измеряли содержание жира и сухой массы тела, сравнивая их с показателями перед полетом.
«Одним из самых больших сюрпризов было то, что у птицы оставалось много жира, когда она решала закончить полет», — говорит Элоу. — «Но мышцы были истощены. Похоже, что белок, а не жир, является ограничивающим фактором в определении того, как далеко птицы могут летать».
Но исследователи до сих пор не знают, почему птицы сжигают такие огромные запасы белка сразу после начала полета, а потом расходуют все экономнее. Соавтор работы Александр Герсон говорит: «Это какой-то удивительный метаболизм. Как можно за несколько часов «сжечь» мышцы, а потом восстановить их за несколько дней, как делают эти птицы?»
Сетевое издание TechInsider
Учредитель ООО «Фэшн Пресс»: 119435, г. Москва, Большой Саввинский пер., д. 12, стр. 6, этаж 3, пом. II;
Адрес редакции: 119435, г. Москва, Большой Саввинский пер., д. 12, стр. 6, этаж 3, пом. II;
Главный редактор: Василенок Никита Александрович
Адрес электронной почты редакции: info@techinsider.ru
Номер телефона редакции: +7 (495) 252-09-99
Знак информационной продукции: 16+
Cетевое издание зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций, регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации: серия ЭЛ № ФС 77 — 84123 от 09 ноября 2022 г.
© 2007 — 2023 ООО «Фэшн Пресс»
При размещении материалов на Сайте Пользователь безвозмездно предоставляет ООО «Фэшн Пресс» неисключительные права на использование, воспроизведение, распространение, создание производных произведений, а также на демонстрацию материалов и доведение их до всеобщего сведения.
Источник