Как колибри удается выживать при экстремальных температурах. Каковы особенности терморегуляции этих крошечных птиц. Почему колибри способны снижать температуру тела до рекордно низких значений. Какие адаптации помогают колибри совершать невероятные полеты.
Содержание
Уникальные способности колибри к терморегуляции
Колибри обладают поистине удивительными способностями к регулированию температуры своего тела. Эти крошечные птицы могут как охлаждаться до рекордно низких температур, так и выдерживать сильный перегрев во время интенсивного полета. Как им это удается?
Рекордное снижение температуры тела
Исследования показали, что некоторые виды колибри способны снижать температуру своего тела до экстремально низких значений. Каковы основные факты?
- Черный металлохвост, обитающий в высокогорьях Анд, может охлаждать тело до 3,26°C.
- Это самая низкая зафиксированная температура тела среди птиц и не впадающих в спячку млекопитающих.
- Нормальная температура тела колибри — более 40°C.
- Снижение температуры происходит ночью, когда птицы впадают в оцепенение для экономии энергии.
Такое экстремальное охлаждение позволяет колибри выживать в суровых высокогорных условиях, где ночные температуры опускаются очень низко. Но как им удается не замерзнуть насмерть?
Механизмы защиты от переохлаждения
У колибри выработались специальные адаптации, позволяющие безопасно снижать температуру тела:
- Замедление метаболизма и сердечного ритма
- Снижение частоты дыхания
- Особые белки-антифризы в крови
- Способность быстро согреваться утром
Благодаря этим механизмам колибри могут впадать в оцепенение каждую ночь, экономя до 60% энергии. При этом они способны быстро «просыпаться» и возвращаться к нормальной активности с восходом солнца.
Терморегуляция во время интенсивного полета
Другая уникальная способность колибри — эффективное охлаждение во время полета, когда их крошечное тело производит огромное количество тепла. Как им это удается?
Источники перегрева при полете
Во время полета колибри подвергаются риску сильного перегрева по нескольким причинам:
- Частота взмахов крыльев достигает 80 раз в секунду
- КПД полетных мышц всего 10%, остальная энергия превращается в тепло
- Маленький размер тела затрудняет теплоотдачу
- Плотное оперение препятствует рассеиванию тепла
При таких условиях температура тела колибри во время полета должна была бы достигать смертельных значений. Однако этого не происходит благодаря специальным механизмам охлаждения.
Как колибри охлаждаются в полете?
Исследования с использованием тепловизоров показали, что колибри используют несколько зон для отвода избыточного тепла:
- Область вокруг глаз
- Осевая область тела (грудные мышцы)
- Ноги и ступни
Температура в этих зонах может быть на 8°C выше температуры окружающего воздуха. При этом птицы способны регулировать интенсивность теплоотдачи через разные зоны в зависимости от скорости полета и окружающих условий.
Адаптивное поведение для охлаждения
Колибри также демонстрируют особое поведение для усиления теплоотдачи:
- При зависании в воздухе активно болтают ногами для усиления конвекции
- На высокой скорости убирают ноги под оперение для снижения сопротивления
- Регулируют размер теплоотводящих зон с помощью кровотока
Такие тонкие механизмы терморегуляции позволяют колибри сохранять оптимальную температуру тела даже при экстремальных нагрузках во время полета.
Уникальные летные способности колибри
Помимо удивительной терморегуляции, колибри обладают поистине фантастическими летными характеристиками. Чем они обусловлены?
Анатомические адаптации для виртуозного полета
Строение тела колибри идеально приспособлено для сложных маневров в воздухе:
- Гибкие плечевые суставы, вращающиеся на 180°
- Легкие и прочные кости крыльев
- Мощные грудные мышцы (до 40% массы тела)
- Развитая дыхательная система с 9 воздушными мешками
Невероятные летные характеристики
Благодаря таким адаптациям колибри способны на удивительные полетные трюки:
- Скорость до 400 длин тела в секунду (быстрее, чем у истребителя)
- Мгновенное торможение и зависание в воздухе
- Вертикальный взлет и посадка
- Полет назад и вбок
При этом частота сердечных сокращений колибри в полете может достигать 1200 ударов в минуту, а частота дыхания — 600 циклов в минуту. Это рекордные показатели среди позвоночных животных.
Загадки биологии колибри
Несмотря на активные исследования, в биологии колибри остается еще немало тайн:
- Как работает мозг колибри во время оцепенения?
- Как птицы определяют необходимость снижения температуры?
- Каков механизм быстрого согревания после оцепенения?
- Как эволюционировали способности к терморегуляции?
Изучение этих вопросов поможет лучше понять уникальную физиологию колибри и, возможно, найти применение их способностям в медицине и технике.
Заключение
Колибри демонстрируют поистине удивительные способности к регуляции температуры тела — от экстремального охлаждения до эффективного отвода тепла при интенсивном полете. В сочетании с фантастическими летными характеристиками это делает их одними из самых уникальных созданий природы. Дальнейшее изучение физиологии колибри может привести к интересным открытиям в области биологии и биомиметики.
Высокогорный колибри остыл до 3,26 градуса Цельсия
Колибри черный металлохвост, обитающий в Андах, может снижать температуру тела менее чем до четырех градусов по Цельсию. Это рекордно низкое значение для птиц и не впадающих в спячку млекопитающих. Как отмечается в статье для журнала Biology Letters, способность сильно охлаждаться помогает этому и некоторым другим видам колибри впадать в оцепенение холодными ночами и не терять лишнюю энергию.
Большинство колибри (Trochilidae) — очень мелкие птицы, которые питаются в основном цветочным нектаром. Несмотря на кажущуюся хрупкость, некоторые из них освоили суровые места обитания. Например, рыжие колибри (Selasphorus rufus) гнездятся на Аляске и дважды в год совершают миграции на расстояние более шести тысяч километров. Другие виды смогли заселить холодные и ветреные высокогорья Анд. Здесь они поднимаются на высоту до пяти тысяч метров над уровнем моря.
У андских колибри есть несколько тактик адаптации, которые помогают им выживать высоко в горах.
Одна из них — способность впадать в оцепенение по ночам. Когда после захода солнца становится холодно, колибри замедляют метаболизм и снижают температуру тела на десять-тридцать градусов ниже нормальных значений. Это позволяет им тратить меньше энергии.
Команда орнитологов во главе с Блэром Вольфом (Blair O. Wolf) из Университета Нью-Мексико решила выяснить, насколько широко способность впадать в оцепенение распространена среди колибри, населяющих перуанские Анды. Исследователи сосредоточили внимание на шести местных видах, которые представляют разные эволюционные линии. В список вошли исполинский колибри (Patagona gigas), черный металлохвост (Metallura phoebe), бронзовохвостая комета (Polyonymus caroli), черногрудая ореада (Oreotrochilus melanogaster), медная ирида (Aglaeactis cupripennis) и сверкающий фиалкоух (Colibri coruscans).
Исследование проводилось в Андах, на высоте 3800 метров над уровнем моря. Здесь орнитологи отлавливали колибри паутинными сетями, а затем помещали их на ночь в вольеры.
У спящих птиц измеряли температуру тела, а также сравнивали массу их тела вечером и утром. В общей сложности эксперименты провели с 26 особями.
Ночная температура воздуха в районе исследования падала до 2,4-5,9 градуса Цельсия. В ответ на это представители всех исследованных видов впадали в оцепенение (лишь один исполинский колибри и одна медная ирида сохранили высокую температуру тела). Однако продолжительность и интенсивность этого состояния отличались в зависимости от вида. Например, температура тела фиалкоухов была в среднем на восемь градусов выше, чем у окружающего воздуха.
Наиболее интенсивное оцепенение продемонстрировали черные металлохвосты. В среднем температура тела этих птиц опускалась до 5,13 градуса Цельсия и была всего на 0,87 градуса выше температуры воздуха. В самые холодные ночи металлохвосты охлаждались до 3,26 градуса Цельсия. Это рекордно низкая температура тела для птиц и не впадающих в спячку млекопитающих. Однако авторы не исключают, что в более холодные ночи металлохвосты остывают еще сильнее.
Для этого же вида было характерно самое продолжительное оцепенение: до 12,9 часа. Для сравнения, исполинские колибри проводили в этом состоянии всего 2,3 часа. При этом чем дольше длилось оцепенение колибри, тем меньше массы теряли эти птицы в течение ночи.
Сравнив полученные результаты с данными о родственных связях колибри, исследователи пришли к выводу, что представители одних эволюционных линий приспособлены к жизни в горах лучше других. В первую очередь речь идет о кладе колибри-кокеток, к которой, помимо других видов, относятся металлохвосты, ореады и кометы. Способность впадать в глубокое оцепенение в сочетании с высоким сродством гемоглобина к кислороду позволили этой группе стать доминирующей в Андах.
Если колибри могут охлаждаться до очень низких температур, то африканские красноклювые ткачи, напротив, могут переносить экстремальный нагрев. Эксперименты показали, что эти птицы способны без вреда для себя пережить временное повышение температуры тела до 48 градусов Цельсия.
Это рекордно высокое значение, которое примерно на два градуса превышает верхнюю границу температурной толерантности подавляющего большинства птиц и млекопитающих.
Сергей Коленов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
колибри управление температурой тела
Печенье у всех разное, но обязательно ароматное, а «козули» – самые красивые. Далее
Как у нас в России поверяют ИК медицинские термометры? Их очень много сейчас в обиходе, причем в основном зарубежного производства. Какие действуют правила применения и методики поверки и вообще надо ли их поверять? Далее
Курение очень вредно. Но этот вред, как оказалось, связан не с никотином, а с дымом сигареты, с продуктами горения. Далее
Попадает ли алюминий из фольги в пищу? Насколько это вредно? Далее
Правда ли, что вода в озере Старой Руссы из древнего океана? Далее
Среди электрических обогревателей, которые мы используем в быту, наиболее популярными сейчас становятся инфракрасные нагреватели. Они очень широко рекламируются в Интернете и в газетах. Говорят, что они намного эффективнее масляных радиаторов и тепловентиляторов. Меньше потребляют энергии, не сжигают кислород и т.д. Главное – они совершенно не вредные, никакого отрицательного воздействия на организм человека не оказывают. Далее
Это действительно так, хотя звучит невероятно, т.к в процессе замерзания предварительно нагретая вода должна пройти температуру холодной воды. Парадокс известен в мире, как «Эффект Мпембы». Далее
Одна моя знакомая отказывается есть пищу, которую кто-то разогрел в микроволновой печи. Всему виной — страшилки в Интернете. Далее
451 градус по Фаренгейту. Это название знаменитой книги Рэя Брэдбери. На языке оригинала звучит так: ‘Fahrenheit 451: The Temperature at which Book Paper Catches Fire, and Burns’. Действительно ли при этой температуре начинают гореть книги? Далее
При приготовлении сырого мяса, особенно, домашней птицы, рыбы и яиц необходимо помнить, что только нагревание до надлежащей температуры убивают вредные бактерии. Далее
02.07.2021 |
Интересные факты о температуре |
Количество просмотров: 1858
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.
https://habr.com/ru/post/372677/
https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rsos.150598
- Контролируйте температуру приготовления мяса!
- Град — лёд, падающий с неба
- Если прибавить к морозу ветер…
- Дятел термометрист
- История градуса Фаренгейта
Все статьи раздела «Интересные факты о температуре»>>
Все статьи нашего блога >>
Колибри прекрасно контролируют тепло тела
Ночью колибри резко снижают температуру тела и метаболизм, впадая в энергосберегающее состояние бездействия, называемое оцепенением.
Ученые из нескольких университетов теперь обнаруживают, что существует более одного уровня оцепенения: поверхностный и глубокий, а также переходная стадия между уровнями оцепенения и нормальным состоянием сна.
Их исследование «Гетеротермический спектр у колибри», опубликованное 27 января в Журнале экспериментальной биологии .
«Было несколько намеков на то, что эта способность к точной настройке терморегуляции возможна», — сказала ведущий автор Ануша Шанкар, в настоящее время научный сотрудник Роуз постдокторант в Корнеллской лаборатории орнитологии. «Но исследования проводились в лабораторных условиях, а не в условиях, с которыми птица может столкнуться в дикой природе. Было очень интересно увидеть, что оцепенение колибри может быть изменчивым и гибким».
Шанкар и его коллеги из Университета Стоуни-Брук, Швейцарского федерального исследовательского института и Университета Джорджа Фокса использовали инфракрасное тепловидение для отслеживания температуры тела трех видов колибри в Аризоне: синегорлого горного драгоценного камня, колибри Риволи и колибри с черным подбородком.
. Они измерили температуру, излучаемую кожей вокруг глаз птиц, и обнаружили резкие различия в различиях в выделении тепла на разных стадиях.
Нормальная дневная температура тела колибри составляет более 100 градусов по Фаренгейту, даже в холодную погоду. Во время неглубокого оцепенения температура ее тела падает примерно на 20 градусов по Фаренгейту. В глубоком оцепенении птица поддерживает температуру тела на 50 градусов по Фаренгейту ниже своей нормальной дневной температуры. Если бы температура человеческого тела упала всего на 3 градуса по сравнению со стандартными 98,6 градусами, мы бы оказались в состоянии переохлаждения и, в отличие от колибри, нуждались бы в помощи извне, чтобы снова согреться.
Размер тоже имеет значение. «В этом исследовании мы обнаружили, что самая маленькая птица впадала в состояние глубокого оцепенения каждую ночь», — сказал Шанкар. «Более крупные птицы иногда используют глубокое оцепенение, иногда поверхностное оцепенение, а иногда и вовсе не оцепенение».
Поверхностное оцепенение могло быть разработано, чтобы сбалансировать экономию энергии с затратами на глубокое оцепенение. В состоянии глубокой апатии колибри, вероятно, более уязвимы для болезней, потому что их иммунная система отключается; он также уязвим для хищничества и лишения сна. Эта способность использовать оцепенение на разной глубине указывает на то, что, по крайней мере, некоторые птицы способны точно настраивать то, насколько им холодно в оцепенении, и как им удается экономить энергию с потенциальными затратами на погружение в глубокое оцепенение.
Оцепенение — это не то же самое, что сон. Сон использует гораздо больше энергии и выполняет множество восстановительных функций. Дневное оцепенение также отличается от спячки. Спящие животные впадают в состояние пониженного энергопотребления на недели или месяцы, в то время как колибри могут впадать в оцепенение каждую ночь.
Остается много вопросов о том, что происходит в мозгу во время оцепенения, как уровень жира в организме может вызвать оцепенение и как колибри могут вырабатывать тепло, чтобы снова согреться — процесс, который может занять до 30 минут.
— По меньшей мере 42 вида птиц используют оцепенение, — сказал Шанкар, — но только колибри, козодои и один вид мышевидных птиц впадают в глубокое оцепенение. Изучение диапазона оцепенения может помочь нам понять эволюцию терморегуляции у птиц».
Исследование частично финансировалось НАСА, Фондом Тинкера, Национальным географическим обществом, Американским философским обществом, Европейским исследовательским советом, Швейцарским федеральным научно-исследовательским институтом лесных, снежных и ландшафтных исследований, Университетом Джорджа Фокса, Швейцарским национальным научным фондом и два краудфандинговых гранта от Experiment.com.
Пэт Леонард — штатный писатель Корнеллской лаборатории орнитологии.
Эта история впервые появилась в «Корнеллских хрониках».
Колибри прекрасно контролируют тепло тела
Ночью колибри резко снижают температуру тела и метаболизм, впадая в энергосберегающее состояние бездействия, называемое торпором.
Ученые из нескольких университетов теперь обнаруживают, что существует более одного уровня оцепенения: поверхностный и глубокий, а также переходная стадия между уровнями оцепенения и нормальным состоянием сна.
Их исследование «Гетеротермический спектр у колибри» опубликовано 27 января в Журнале экспериментальной биологии .
«Было несколько намеков на то, что эта способность к точной настройке терморегуляции возможна», — сказала ведущий автор Ануша Шанкар, в настоящее время научный сотрудник Роуз постдокторант в Корнеллской лаборатории орнитологии. «Но исследования проводились в лабораторных условиях, а не в условиях, с которыми птица может столкнуться в дикой природе. Было очень интересно увидеть, что оцепенение колибри может быть изменчивым и гибким».
Шанкар и его коллеги из Университета Стоуни-Брук, Швейцарского федерального исследовательского института и Университета Джорджа Фокса использовали инфракрасное тепловидение для отслеживания температуры тела трех видов колибри в Аризоне: синегорлого горного драгоценного камня, колибри Риволи и колибри с черным подбородком. . Они измерили температуру, излучаемую кожей вокруг глаз птиц, и обнаружили резкие различия в выделении тепла на разных стадиях.
Нормальная дневная температура тела колибри составляет более 100 градусов по Фаренгейту, даже в более холодную погоду. Во время неглубокого оцепенения температура ее тела падает примерно на 20 градусов по Фаренгейту. В глубоком оцепенении птица поддерживает температуру тела на 50 градусов по Фаренгейту ниже своей нормальной дневной температуры. Если температура человеческого тела упадет всего на 3 градуса по сравнению со стандартными 98,6 градусов, мы бы находились в состоянии переохлаждения и, в отличие от колибри, нуждались бы в посторонней помощи, чтобы снова согреться.
Размер тоже имеет значение. «В этом исследовании мы обнаружили, что самая маленькая птица впадала в состояние глубокого оцепенения каждую ночь», — сказал Шанкар. «Более крупные птицы иногда используют глубокое оцепенение, иногда поверхностное оцепенение, а иногда и вовсе не оцепенение».
Поверхностное оцепенение могло быть разработано, чтобы сбалансировать экономию энергии с затратами на глубокое оцепенение. В состоянии глубокой апатии колибри, вероятно, более уязвимы для болезней, потому что их иммунная система отключается; он также уязвим для хищничества и лишения сна. Эта способность использовать оцепенение на разной глубине указывает на то, что, по крайней мере, некоторые птицы способны точно настраивать то, насколько им холодно в оцепенении, и как им удается экономить энергию с потенциальными затратами на погружение в глубокое оцепенение.
Оцепенение — это не то же самое, что сон. Сон использует гораздо больше энергии и выполняет множество восстановительных функций. Дневное оцепенение также отличается от спячки. Спящие животные впадают в состояние пониженного энергопотребления на недели или месяцы, в то время как колибри могут впадать в оцепенение каждую ночь.
Остается много вопросов о том, что происходит в мозгу во время оцепенения, как уровень жира в организме может вызвать оцепенение и как колибри могут вырабатывать тепло, чтобы снова согреться — процесс, который может занять до 30 минут.