Ученые обнаружили удивительный способ, которым рябки удерживают воду в своих перьях | Новости Массачусетского технологического института

Перья многих птиц удивительно эффективно сбрасывают воду — настолько, что «как вода со спины утки» — обычное выражение. Гораздо более необычными являются брюшные перья рябков, особенно рябков Намаква, которые поглощают и удерживают воду настолько эффективно, что самцы могут пролететь более 20 километров от дальнего водопоя обратно в гнездо и все еще удерживать в своих перьях достаточно воды для жизни. цыплят, чтобы пить и поддерживать себя в знойных пустынях Намибии, Ботсваны и Южной Африки.

Как работают эти перья? В то время как ученые вывели приблизительную картину, потребовались новейшие инструменты микроскопии и терпеливая работа с коллекцией перьев рябчиков, чтобы открыть уникальные структурные детали, которые позволяют перьям удерживать воду. Выводы появились сегодня в Журнал интерфейса Королевского обществав статье Лорны Гибсон, профессора материаловедения и инженерии Матулы С. Салапатас и профессора машиностроения в Массачусетском технологическом институте, и профессора Йохена Мюллера из Университета Джона Хопкинса.

По словам Гибсона, об уникальной водоносной способности перьев глухаря впервые сообщил в 1896 году Э.Г.Б. Мид-Уолдо, который занимался разведением птиц в неволе. «Он видел, как они себя так ведут, и никто ему не поверил! Я имею в виду, это звучало так диковинно», — говорит Гибсон.

В 1967 году Том Кейд и Гордон Маклин сообщили о подробных наблюдениях за птицами на водопоях в исследовании, которое доказало, что уникальное поведение действительно было реальным. Ученые обнаружили, что перья самца рябка могут удерживать около 25 миллилитров воды, или около десятой части чашки, после того как птица погружалась в воду и распушивала перья около пяти минут.

Около половины этого количества может испариться во время получасового перелета самца обратно в гнездо, где птенцы, которые не могут летать примерно первый месяц, выпивают остаток прямо из перьев.

Кейд и Маклин «внесли свой вклад в историю», говорит Гибсон, но в то время не существовало инструментов для детальной визуализации структур перьев, которую смогло сделать новое исследование.

Гибсон и Мюллер провели исследование с использованием сканирующей электронной микроскопии, микрокомпьютерной томографии и видеоизображения. Они позаимствовали брюшные перья рябчиков Намаква из Музея сравнительной зоологии Гарвардского университета, в котором хранится коллекция образцов около 80 процентов птиц мира.

Птичьи перья обычно имеют центральный стержень, от которого отходят более мелкие бородки, а затем от них отходят более мелкие бородки. Однако перья рябчиков устроены иначе. Во внутренней зоне пера бородки имеют спирально закрученную структуру вблизи их основания, а затем прямое продолжение. В наружной зоне пера бородки не имеют спирального витка и просто прямые. В обеих частях отсутствуют бороздки и крючки, которые у большинства других птиц скрепляют лопасти контурных перьев.

При смачивании скрученные части бородочек раскручиваются и поворачиваются перпендикулярно лопасти, образуя густой лес волокон, которые могут удерживать воду за счет капиллярного действия. В то же время бородочки во внешней зоне загибаются внутрь, помогая удерживать воду.

Методы микроскопии, использованные в новом исследовании, позволили измерить размеры различных частей пера. Во внутренней зоне стержни бородок большие и достаточно жесткие, чтобы обеспечить жесткое основание, вокруг которого деформируются другие части пера, а бородочки маленькие и достаточно гибкие, чтобы поверхностного натяжения было достаточно, чтобы согнуть прямые отростки в слезообразные формы. конструкции, удерживающие воду. А во внешней зоне стержни бородок и бородки еще меньше, что позволяет им закручиваться вокруг внутренней зоны, еще больше удерживая воду.

В то время как предыдущая работа предполагала, что поверхностное натяжение создает характеристики удержания воды, «мы сделали измерения размеров и сделали некоторые расчеты, чтобы показать, что это действительно происходит», — говорит Гибсон. Работа ее группы показала, что разная жесткость различных частей перьев играет ключевую роль в их способности удерживать воду.

По словам Гибсона, исследование в основном было вызвано интеллектуальным любопытством к этому уникальному поведенческому феномену. «Мы просто хотели посмотреть, как это работает. Вся история казалась такой интересной». Но она говорит, что это может привести к некоторым полезным применениям. Например, в пустынных регионах, где воды мало, но регулярно случаются туманы и роса, например, в чилийской пустыне Атакама, некоторая адаптация этой структуры пера может быть включена в системы огромных сетей, которые используются для сбора воды. «Можно представить, что это способ улучшить эти системы», — говорит она. «Материал с такой структурой может быть более эффективным при сборе тумана и удержании воды».

Работа была частично поддержана Национальным научным фондом и профессором Матулы С. Салапатас в области материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте.