На первый взгляд фламинго, спокойно стоящие на тонких ногах в мелководных щелочных озёрах с погружёнными в воду головами, могут показаться безмятежными и пассивными обитателями водоёмов. Однако за этой кажущейся неподвижностью скрываются активные и сложные механизмы охоты. Под поверхностью воды происходит настоящее движение – биомеханический спектакль, в котором задействованы ноги, шеи и уникальные клювы этих
птиц.
Недавние исследования, проведенные в зоопарке Нэшвилла при участии учёных из Калифорнийского университета в Беркли, Технологического института Джорджии, Государственного университета Кеннесоу и других организаций, раскрывают малоизвестную сторону жизни чилийских фламинго (Phoenicopterus chilensis).
Используя трёхмерные печатные модели ног и клювов этих птиц, исследователи подробно изучили, как фламинго создают водные вихри, чтобы эффективно концентрировать и захватывать пищу.
Доцент кафедры интегративной биологии Калифорнийского университета Виктор Ортега Хименес, один из ведущих авторов исследования, подчёркивает, что фламинго вовсе не такие пассивные фильтраторы, какими их часто считают.
По его словам, эти птицы ведут активный хищнический образ жизни. Они не просто фильтруют мелкие частицы, но целенаправленно охотятся на подвижные организмы, такие как креветки. Чтобы справиться с задачей концентрации своей добычи, фламинго прибегают к помощи физических явлений - созданию мини-торнадо и водоворотов.
С помощью перепончатых лап птицы перемешивают или «взбивают» донные осадки, поднимая их в толщу воды. Эти движения создают крупные завихрения, которые затем фламинго направляют вверх, двигая головой как поршнем. Клюв, обладающий специфической L-образной формой и сплюснутой передней частью, помогает создать мелкие водовороты, направляющие частицы пищи прямо в рот, откуда она процеживается.
Клюв фламинго уникален тем, что его передний конец приплюснут под углом, так что, когда голова птицы находится в воде в перевёрнутом состоянии, плоская часть параллельна дну. Это позволяет фламинго использовать другую технику, которую исследователи задокументировали, как ещё один способ добычи пищи, называемый скиммингом.
При этом фламинго вытягивают шею вперёд, двигаясь по воде, и совершают ритмичные движения клювом. Такие действия создают вихри фон Кармана – упорядоченные потоки, напоминающие колеблющиеся листы, которые эффективно захватывают добычу и направляют её к ротовому отверстию.
Эти открытия серьёзно меняют представление о способностях фламинго. Вместо медленных и ленивых фильтраторов они становятся высокоэффективными охотниками, которые умело используют гидродинамику для выживания. Создание вихрей, направленное движение осадков и ловля добычи в специально созданных потоках – всё это элементы сложной стратегии, отточенной
эволюцией.
Фото: phys.org
Помимо зоологических открытий, работа Ортеги Хименеса и его коллег может найти практическое применение в инженерии и экологии. Полученные знания могут лечь в основу технологий, предназначенных для извлечения микропластика и других мелких загрязняющих частиц из воды. Также эти принципы могут быть использованы при создании самоочищающихся фильтров и биороботов, способных двигаться в вязкой среде, подобно фламинго, без потери устойчивости и эффективности.
Вибрирование
Виктор Ортега Хименес, родом из мексиканского города Пуэбла, заинтересовался уникальным поведением фламинго совершенно случайно. Посещение зоопарка Атланты вместе с женой и дочерью незадолго до начала пандемии
COVID-19 стало отправной точкой его научного увлечения. Во время прогулки он стал снимать на видео, как фламинго кормятся в вольере, но на кадрах была видна лишь слабая рябь на поверхности воды - никаких явных признаков происходящего под водой. Именно этот визуальный парадокс и пробудил в нём исследовательский интерес.
«Мы видим только поверхность - гладкую, спокойную. Но что же происходит под ней? Мы этого не знаем, и в этом заключался весь научный вопрос», - вспоминает учёный.
В тот период Ортега Хименес работал постдокторантом в Государственном университете Кеннесоу (штат Джорджия) и находился в поиске новой темы для исследований. Поведение фламинго при кормлении показалось ему недооценённой и перспективной областью для изучения.
Как он сам отмечает, его подход к науке близок к традициям дарвинистского натурализма: он стремится понять, как животные - от микроскопических нематод и мух до птиц и других крупных представителей фауны - взаимодействуют с окружающей средой, будь то воздух, вода или даже электромагнитные поля.
Покинув Кеннесоу, Ортега Хименес продолжил научную деятельность в лаборатории Саада Бхамлы при Технологическом институте Джорджии. Там он объединил усилия с инженерами и получил доступ к чилийским фламинго, содержащимся в зоопарке Нэшвилла. Команда организовала серию высокоточных наблюдений, используя лазерную подсветку, чтобы визуализировать мельчайшие пузырьки газа, поднимающиеся в воде. Это позволило впервые чётко увидеть вихри, которые образуются вокруг голов и клювов фламинго в процессе кормления.
После этого Хименес переехал в Университет штата Мэн в городе Ороно, где занял должность доцента. Здесь он значительно усовершенствовал методы моделирования: были напечатаны новые, более точные 3D-модели клюва и лапок фламинго, с помощью которых удалось воспроизвести тонкие детали движения воды и осадка. Особое внимание учёный уделил поведению клюва при так называемом «вибрировании» - частом и ритмичном хлопании, которое используется птицами для захвата пищи.
Следующим этапом стал переезд в Калифорнийский университет в Беркли в 2024 году, где Ортега Хименес продолжил исследования с ещё более высоким уровнем технологической детализации. Он собрал экспериментальную установку, в которой настоящий клюв фламинго был прикреплён к приводу, имитирующему характерные движения клюва.
Внутри конструкции находился небольшой насос, имитирующий работу языка, создавая эффект всасывания - аналогичный тому, как фламинго захватывают добычу. Результаты эксперимента оказались поразительными.
Вибрации клюва фламинго радикально увеличивают эффективность охоты: количество креветок, захваченных с помощью вибрирования, оказалось в семь раз больше, чем в случае обычного пассивного протекания воды через клюв.
«Этот механизм - настоящая находка», - говорит учёный. «Вибрация - это не просто побочное явление, это ключевой элемент, который многократно повышает результативность кормления фламинго. Мы показали, что они не просто фильтруют воду, а активно используют физику для захвата живой добычи».
Фото: phys.org
Эта работа стала кульминацией многолетнего междисциплинарного сотрудничества, объединившего зоологию, биомеханику, физику жидкостей и инженерное дело. Новый научный труд, опубликованный в 2024 году, подводит итоги этому комплексному исследованию и открывает перспективы не только для лучшего понимания поведения птиц, но и для создания инновационных технологий на основе природных принципов.
Идеальные лапы
«Кормление фламинго начинается снизу - с ног», - подчёркивает Хименес. Если внимательно наблюдать за птицей, стоящей на очень мелкой воде, можно заметить, как она делает странные движения на месте или совершает круговые «танцы». Эти на первый взгляд хаотичные жесты имеют строгое функциональное назначение - они запускают сложный гидродинамический процесс, необходимый для эффективной охоты.
Особенность ног фламинго состоит в том, что они не только длинные и тонкие, но и обладают перепонками - как у многих водоплавающих или болотных птиц, однако в отличие от гусей или уток, у фламинго перепонки висячие, то есть не натянуты жёстко между пальцами.
Это позволяет им легко отрываться от поверхности дна при подъёме ноги, не создавая эффекта «засасывания» - одной из причин, по которой человеку трудно двигаться по илистому дну. При движении по воде фламинго не топают, а словно скользят, минимизируя сопротивление.
Чтобы исследовать влияние формы и подвижности ног на движение воды, Ортега Хименес разработал модели лап фламинго двух типов - жёсткие и гибкие. Результаты экспериментов показали, что гибкие конструкции значительно лучше направляют осадок, формируя стабильные вихри перед каждым шагом. Жёсткие же модели в основном создавали турбулентные потоки, менее предсказуемые и менее эффективные в контексте перемещения частиц пищи.
Параллельно исследователи сосредоточили внимание на клюве - уникальной L-образной структуре, позволяющей фламинго питаться, держа голову «вверх тормашками». Используя трёхмерные модели и замедленную съёмку, команда обнаружила, что при быстром вытягивании головы вертикально вверх в воде возникает спиральный вихрь, закрученный вокруг вертикальной оси.
Этот вихрь создаёт зону пониженного давления, в которую втягиваются частицы пищи. Замеры показали, что скорость движения головы фламинго может достигать 40 см/с, а формирующиеся мини-торнадо достаточно сильны, чтобы улавливать даже шустрых организмов - таких как копеподы (микроскопические ракообразные).
Важный механизм - вибрирование - заключается в высокочастотных движениях клюва фламинго, при которых верхняя часть остаётся неподвижной, а нижняя двигается с частотой 12 колебаний в секунду.
Это создаёт микровихри, обволакивающие клюв, способствуя затягиванию пищи внутрь. Исследования подтвердили, что во время вибрации количество захваченной пищи увеличивается многократно.
Компьютерное моделирование, проведённое профессором Тьеном Йи из Государственного университета Кеннесоу (KSU-Marietta), подтвердило экспериментальные наблюдения. Используя методы вычислительной гидродинамики, Йи создал трёхмерную симуляцию течений, возникающих вокруг лап и клюва. Эти расчёты были затем проверены в лабораторных условиях - в искусственном водоёме с живыми креветками и плавающими икринками.
При моделировании поведения, называемого скиммингом, когда фламинго движется вперёд, вытянув шею и хлопая клювом, модель показала образование симметричных вихрей по обе стороны клюва. Эти вихри захватывают и возвращают частицы пищи обратно к ротовому отверстию, повышая эффективность кормления.
«Это настоящая хитрость, которую диктует сама гидродинамика», - говорит Хименес. «Птица буквально управляет потоками, чтобы вернуть пищу в зону захвата».
Но на этом исследование не заканчивается. В ближайших проектах команда Хименеса планирует изучить работу языка фламинго, функционирующего как насос, и изучить, как гребнеобразные края на клюве фильтруют пищу, особенно в экстремальных условиях солёной и щелочной воды. Эти детали имеют ключевое значение для понимания того, как фламинго умудряются питаться в крайне враждебной среде.
Фото: travelask.ru
«Фламинго - это не просто красивые розовые птицы», - подчёркивает учёный. «Они представляют собой суперспециализированную машину для фильтрации, в которой задействованы не только клюв и голова, но и ноги, шея и сложные поведенческие алгоритмы. Всё это служит одной цели - захвату мельчайшей и самой подвижной добычи».
В создании и реализации этого комплексного исследования участвовали не только Йи и Ортега Хименес, но также постдоктор Панкадж Рохилла, аспирант Бенджамин Селеб, профессор Саад Бхамла из Технологического института Джорджии, а также Джейк Белер, представляющий зоопарк Нэшвилла.
Исследование стало примером междисциплинарной работы, где биология, инженерия и физика жидкостей сошлись для разгадки одной из самых элегантных стратегий кормления в природе.