Природный регулятор температуры колибри

Живые организмы по-разному регулируют температуру тела. Мы уже писали на сайте про системы регулирования у тюленей и слонов. Природа снабдила этих животных специальными механизмами от перегрева и переохлаждения. Человек в отношении регулирования температуры организма одно из самых беззащитных существ. Правда некоторые йоги до определенных пределов могут управлять температурой тела, но это достигается специальными тренировками и усилиями мозга. В данной заметке речь пойдет о феноменальном творении природы – птичке колибри, в частности о её способности управлять теплообменом с окружающей средой. Очень долгое время ученые не могли понять, как такое существо может жить в природе, ведь все, что она делает не укладывается в законы физики.

Данные наблюдателей свидетельствуют, что колибри развивают скорость, составляющую примерно 400 своих корпусов в секунду. Это больше, чем у реактивного истребителя или у космического шаттла, входящего в атмосферу Земли. Причем, развив такую скорость, колибри способна затормозить практически мгновенно. Колибри могут зависать в воздухе, совершать вертикальный взлет и посадку. При зависании птичкам приходится делать до 80 взмахов в секунду. При этом «полетный КПД» мышц крыльев не превышает 10%, а остальная энергия рассеивается в виде тепла. Учитывая, что колибри живут в жарком климате, а перья не дают теплу уходить в окружающую среду, птицы должны нагреваться до температур, несовместимых с жизнью.

Организм колибри весь создан для невероятных, сверхъестественных полётных трюков. Плечевые суставы гибкие, могут двигаться в любом направлении и вращаться на 180 градусов. Колибри могут менять угол крыла для изменения траектории движения. Кости крыла колибри очень легкие прочные, кроме этого птичка снабжена мощными мышцами (масса мышц крыльев составляет около 40% всей массы тела). Развита и  дыхательная система, которая наряду с легкими включает 9 воздушных мешков, снабжающих  мышцы кислородом. Частота сердечного ритма— 500 ударов в минуту в состоянии покоя. Во время полета пульс птицы ускоряется вплоть до 1200 ударов в минуту. Дыхание тоже очень быстрое — вплоть до 600 циклов вдох-выдох за минуту.

Такой уникальный летающий организм, имеющий всё для виртуозного полёта, имеет также уникальную способность управлять охлаждением своего тела. Отвод тепла колибри долгое время оставался загадкой. Но в 2015 году исследователи при помощи высокочувствительных инфракрасных видеокамер смогли приоткрыть тайну, как именно птицы охлаждаются в полете (https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rsos.150598).

Из наблюдений ученых следует, что тепло отводится через несколько особых зон. Температура этих областей в среднем на 8 °C выше температуры окружающего воздуха, и в зависимости от скорости полета организм колибри сам «выбирает», через какие зоны и с какой интенсивностью избавляться от лишних градусов. То есть секрет колибри — в точном, можно сказать, ювелирном распределении теплоотводящих зон и их тончайшей регуляции.

Изучая данные ИК-изображений очень высокого разрешения, исследователи установили, что у летающих колибри самые высокие температурные градиенты наблюдались в трёх ключевых областях рассеивания тепла (HDA): вокруг глаз, в осевой области тела и в ногах. 

 Ученые также пришли к выводу, что колибри активно меняют пути рассеивания тепла в зависимости от скорости полета. Птицы, вероятно, имеют некоторый физиологический контроль над доставкой тепла через сосуды к поверхностям HDA.

Область HDA вокруг глаза кажется особенно важной для колибри. Ширина головы в районе  глаз почти максимальна, и эта форма, вероятно, вызывает высокие скорости потока воздуха вокруг глаз. Причем размер HDA глаза уменьшается в 3 раза по мере того, как колибри переходят от состояния «зависания» птицы, в котором тепло передается в основном  излучением,  к конвективным потерям тепла во время более быстрого полета.  Уменьшение размера HDA глаза, связанное, вероятно,  с более быстрой конвективной потерей тепла при более высоких скоростях полета, также может зависеть от регуляции кровообращения на поверхности кожи. Относительно высокий перепад температуры  тела птицы в осевой области был лишь немногим  ниже, чем градиент в области глаза, поэтому  осевая область также важна для потери тепла во время полета.  На потерю тепла от этой области сильно влияет мышечная активность, специфически связанная с полетом, т.к. осевая  HDA покрывает массивные грудные мышцы, приводящие в движение крылья во время полета.

Во время исследования было также замечено, что в течение парящего полета колибри  болтала ногами, чтобы увеличить потерю тепла, поскольку отсутствие движения вперед снижает конвективные тепловые потери от других открытых участков. На более высоких скоростях ноги убирались под оперение, предположительно для уменьшения сопротивления. Причем птица  чаще болтала ногами и ступнями, когда температура резко возрастала, что позволило предположить, что свисание ног является формой поведенческой терморегуляции.

В поведении птицы колибри и в частности её системе терморегуляции ещё много неизученных вопросов. Исследования ученых продолжаются. Каждый раз, когда читаешь про такие очень сложные процессы в природе, в голову приходят мысли  о  разнообразии  и разумности устройства нашего мира. Ведь именно природа, её эволюция создает механизмы и организмы, которые искусственным, техническим путем создать просто невозможно. Мы можем только изучать чудеса природы и иногда использовать её секреты в своих технологических проектах.