Физика

Рябок Намаква необычен среди птиц, поскольку его перья на брюхе предназначены для всасывания воды, а не для ее удержания. Теперь Йохен Мюллер из Университета Джонса Хопкинса, штат Мэриленд, и Лорна Гибсон из Массачусетского технологического института раскрыли подробности этой способности всасывать воду [1]. Результаты могут помочь понять с эволюционной точки зрения, как и почему эти птицы развили эту способность. Эта работа также может вдохновить на создание искусственных материалов, способных эффективно хранить и выделять воду.

«Способность рябчиков переносить прохладную воду всегда проявляется на занятиях по орнитологии», — говорит Эллисон Шульц, куратор орнитологии Национального исторического музея округа Лос-Анджелес, который предоставил образцы перьев Мюллеру и Гибсону. «Но механизм его работы никогда подробно не исследовался. Это делает эту новую работу действительно захватывающей», — говорит она.

В 1896 году Эдмунд Мид-Уолдо, британский орнитолог и защитник природы, заметил странное поведение среди рябчиков, которых он разводил в неволе. Взрослые самцы птиц ковыляли к источникам воды в своих вольерах, садились в эту воду, а затем с раздутыми животами ковыляли к своим птенцам. Затем птенцы забирались под животы взрослых птиц и прижимали клюв к перьям на животе. Папы, похоже, приносили своим птенцам воду.

Мид-Уолдо поделился своими наблюдениями с коллегами-орнитологами, но идея о том, что птенцы рябчика «высасывают воду из груди [самца]», как писал Мид-Уолдо, была встречена с крайним скептицизмом. «Никто ему не поверил», — говорит Мюллер. «Это было сочтено сумасшедшим поведением».

В течение следующих 70 лет другие наблюдатели представили аналогичные отчеты, но только в 1967 году эта идея получила реальное признание. Проводя эксперименты с экземплярами и перьями мертвых рябчиков, два биолога из Корнелльского университета обнаружили, что самцы рябчиков могут удерживать в своих перьях на брюхе около 15% воды от веса своего тела. Эти птицы, обитающие в основном в юго-западной Африке, часто гнездятся на расстоянии до 30 км от ближайшего водопоя, и биологи Корнелла подсчитали, что самец рябчика может удерживать более половины поглощенной воды в своих перьях во время примерно 30-минутного полета между источник и его гнездо. Осталось достаточно жидкости для птенцов, которые не могут летать в первый месяц жизни.

Так как же рябчики захватывают воду, удерживают ее в животе на большие расстояния, а затем передают ее потомству? У биологов Корнелла были некоторые идеи, но без использования современных технологий детали оставались неясными. В своем исследовании Мюллер и Гибсон взяли брюшные перья взрослого самца рябка Namaqua и провели различные эксперименты по смачиванию, а также структурные тесты с использованием сканирующего электронного микроскопа и компьютерной томографии.

Первое, что заметил дуэт, — это необычная структура перьев, которую ученые ранее задокументировали, но не фиксировали подробно. Как и у большинства перьев птиц, у рябчиков есть основной стержень в центре и пушистый лопасть, выходящий наружу. Внутри этого опахала находится множество бородок — отдельных прядей перьевого материала, — которые затем делятся на бородки. У малиновки, например, эти бородки прямые, с крючком на конце. Однако у рябчика Мюллер и Гибсон наблюдали изогнутые усики, которые спирально закручиваются на один виток, а затем вытягиваются прямо.

При погружении в воду дуэт заметил, что усики рябчика раскручиваются, вращаясь так, что усики на противоположных бородках перекрываются, образуя густой «лес» из волокон. Подняв из воды размотанное перо, бородки сохранили эту лесную структуру, удерживая воду на верхней поверхности. После высыхания перо вернулось в исходное состояние. «Изменение формы бородки полностью обратимо», — говорит Мюллер.

По словам Мюллера, способность бородочек скручиваться и разворачиваться обусловлена ​​их молекулярной структурой. Борбулы птичьих перьев состоят из кератина — того же материала, что и волосы и ногти. У рябчика этот кератин существует как в аморфной, так и в кристаллической фазе. Эти разные фазы набухают в разной степени при контакте с водой, что приводит к изменению формы. «Одна сторона бородок набухает сильнее, чем другая, вызывая их разворачивание», — говорит Мюллер.