Kolibris leben mit unverständlicher Geschwindigkeit. Ihre Flugakrobatik ist erstaunlich, Manövrieren eher wie Insekten als Vögel, während sie herumflitzen, kopfüber und sogar rückwärts fliegen. Sie sind eine Unschärfe, wenn sie zwischen Blumen rasen. Wenn sie eine Pause machen, um eine Blume für einen Moment zu besuchen, lecken sie 15 bis 20 Mal pro Sekunde, um ihren Nektartreibstoff zu extrahieren.
Beobachten Sie, wie dieser gesprenkelte Kolibri (Adelomyia melanogenys) in weniger als einer Sekunde eine Blume leert!
Was sie für uns so faszinierend macht, ist das Ergebnis dieser einfachen Ernährungswahl: Sie trinken Nektar. Um von winzigen Mengen Nektar zu leben, die im ganzen Wald verteilt sind, sind Kolibris winzig, schnell und lebhaft.
Das Füttern mit Nektar ist das bestimmende Merkmal von Kolibris, aber bis jetzt wussten die Wissenschaftler nicht genau, wie sie es tun. In unserer neuen Studie konnten wir sie auf Video verlangsamen, um zu sehen, wie sie wirklich Nektar trinken. Und was wir fanden, war ganz anders als die konventionelle Weisheit seit den 1800er Jahren.
Dieser winzige smaragdgrüne Kolibri mit rotem Schnabel (Chlorostilbon gibsoni) ernährt sich täglich von Tausenden von Blumen. Kristiina Hurme, CC BY-ND
Sondenfütterung?
Die dünnen Zungen der Kolibris sind ungefähr so lang wie ihre Schnabel. Sie sind perfekt geeignet, um tief in eine Blume zu gelangen. Seit über 180 Jahren glaubten Wissenschaftler, dass Kolibris, um Nektar zu trinken, auf Kapillarwirkung angewiesen waren. Die Idee war, dass sich ihre Zungen mit Nektar füllen würden, so wie sich ein kleines Glasröhrchen passiv mit Wasser füllt.
Die Physik der Kapillarwirkung beruht auf zwei Kräften. Das Anhaften der Flüssigkeitsmoleküle an den Rohrwänden lässt die Flüssigkeit an den Seiten klettern. Die Oberflächenspannung hält die Flüssigkeit zusammen und zieht die gesamte Flüssigkeitssäule nach oben.
Die lange, dünne Zunge eines Kolibris hat zwei Rillen in der Mitte und endet in einer gegabelten Spitze, die sich im Nektar ausbreitet. Alejandro Rico-Guevara, CC BY-ND
Die Theorie der Kapillarwirkung machte Sinn, da die Zunge eines Kolibris zwei röhrenförmige Rillen hat. Es wäre ein einfacher, passiver Weg für Nektar, die Zunge hinauf zu reisen.
Kolibris sind schneller als das
Aber als wir Kolibris in meiner Heimat Kolumbien (Rico-Guevara) beobachteten, hatten wir das Gefühl, dass die Kapillarität einfach nicht schnell genug war, um mit dem Futter der Kolibris Schritt zu halten. Wir sagten voraus, dass die Kapillarität zu langsam war, um die schnellen Leckraten zu berücksichtigen, die bei frei lebenden Kolibris beobachtet wurden. Denken Sie daran, sie können den Nektar einer Blume mit etwa 15 Licks in weniger als einer Sekunde abtropfen lassen!
Vor vier Jahren hat einer von uns (Rico-Guevara) und seine Kollegin Margaret Rubega zum ersten Mal die konventionellen Überzeugungen über die Kapillarwirkung in Frage gestellt. Wir haben gezeigt, dass die gegabelten Zungenspitzen nicht statisch sind, sondern sich dramatisch im Nektar ausbreiten, mit Fransenkanten, die sich wie winzige Hände öffnen. Wenn der Kolibri seine Zunge vom Nektar zurückzieht, schließen sich diese Fransen aufgrund der physikalischen Kräfte der Oberflächenspannung und des Laplace-Drucks und fangen Nektartropfen in ihren Griffen ein. Durch diese Umwandlung der Zungenform bleiben die Zungenspitzen nicht in der für die Kapillarwirkung notwendigen Röhrenform.
Wie füllt sich also der Rest der Zunge mit Nektar?
Wir machten uns daran, ein Gemisch von Kolibriarten zu studieren, um zu sehen, was diese Vögel wirklich an den Blumen taten. Wir brauchten eine Möglichkeit, die Dicke einer Zunge während des Trinkvorgangs zu messen – unkompliziert, aber keine leichte Aufgabe.
Wir haben durchsichtige künstliche Blumen entworfen, die wir mit Zeitlupenkameras gefilmt haben. Anhand dieser Videos konnten wir dann die Form der Zunge während des gesamten Leckzyklus verfolgen. Der schwierige Teil bestand darin, wilde Kolibris davon zu überzeugen, auf Befehl zu trinken. Im Laufe der Zeit haben wir sie trainiert, indem wir sie an die falschen Blumenfütterer und unser gesamtes Filmset gewöhnt haben.
Wilde Kolibris gewöhnten sich an die hellen Lichter und großen Kameras – bereit, unsere Filmstars zu sein. Kristiina Hurme, CC BY-ND
Science Discovery Via Slow Motion Video
Wenn ein Kolibri seinen Schnabel in eine Blume steckt, muss er immer noch seine lange Zunge tiefer hineinstecken, um an den Nektar darin zu gelangen. Nachdem sich die Zunge mit Nektar gefüllt hat, zieht der Vogel die Zunge wieder in den Schnabel zurück. Die Forscher wussten bereits, dass der Kolibri die Zunge mit den Schnabelspitzen zusammendrückt, um den Nektar im Schnabel zu halten, wenn er für das nächste Lecken ausgestreckt wird. Das komprimiert und glättet die Zunge auf dem Weg nach draußen und lässt den Nektar in der Rechnung. Die Art und Weise, wie der Nektar von der Schnabelspitze dorthin bewegt wird, wo er verschluckt werden kann, bleibt unbekannt.
Um den Zungenfüllmechanismus zu untersuchen, konzentrierten wir uns auf die abgeflachte Form der Zunge, mit der jedes Lecken beginnt. Wenn die Kolibris Kapillarität verwendeten, musste die Zunge, sobald der Nektar in den Mund des Vogels gelangt war, sofort ihre röhrenartige Form wiedererlangen, bevor sie den Nektar wieder berührte.
Als wir unsere Zeitlupenvideos der Vögel, die an den transparenten Blüten tranken, genau studierten, sahen wir, dass die Zunge nach dem Quetschen abgeflacht blieb, selbst als sie durch die Luft reiste, um den Nektar für einen weiteren Schluck zu erreichen. Es rastete nicht in seine ursprüngliche röhrenartige Form vor dem Trinken zurück.
Wir untersuchten 18 Kolibriarten und stellten bei Hunderten von Licks fest, dass die Zunge abgeflacht blieb, bis sie den Nektar berührte. Dies war ein wichtiger Befund, weil es zeigte, dass die Zunge nicht den leeren Raum im Inneren hatte, der für die Kapillarwirkung benötigt wurde. Schließlich können wir getrost ausschließen, dass Kapillarität für das Kolibri-Trinken wichtig ist.
Wie sie den Nektar wirklich pumpen
Was wir gefunden haben, geht über die bloße Entlarvung der Kapillarität hinaus. Kolibris haben einen unerwarteten Weg gefunden, Flüssigkeit auf dieser Mikroskala sehr schnell zu bewegen: Ihre Zungen sind elastische Mikropumpen.
Die Rillen in der Kolibrizunge erreichen nicht den Hals, so dass der Vogel sie nicht als winzige Strohhalme verwenden kann. Aus diesem Grund funktioniert das System wie eine winzige Pumpe, die von der Federung der Zunge angetrieben wird, anstatt Vakuum zu verwenden, um Saugkraft zu erzeugen – stellen Sie sich vor, Sie trinken Limonade aus einem Strohhalm. Der Vogel drückt die Zunge flach, und wenn er aufspringt, zieht diese Ausdehnung den Nektar schnell in die Rillen seiner Zunge. Es stellt sich heraus, dass es elastische Energie ist – potentielle mechanische Energie, die durch die Abflachung der Zunge gespeichert wird –, die es Kolibris ermöglicht, Nektar viel schneller zu sammeln, als wenn sie sich auf Kapillarität verlassen würden.
Während sich die Feder durch die Luft bewegt, wird die elastische Energie, die während des Abflachens in die Nutwände geladen wird, durch eine verbleibende Flüssigkeitsschicht innerhalb der Nuten, die als Klebstoff wirkt, konserviert. Wenn die Zunge den Nektar berührt, ermöglicht die Flüssigkeitszufuhr die Freisetzung der elastischen Energie, die die Rillen ausdehnt und den Nektar zieht, um die Zunge zu füllen.
Während ein Kolibri trinkt, sammelt jeder Leck Nektar, während er die Zungenpumpe schnell für den nächsten Leck vorbereitet. Alejandro Rico-Guevara, CC BY-ND
Als Biologen waren wir von dieser neuen Entdeckung begeistert, brauchten aber die Hilfe eines Experten für Fluiddynamik, Tai-Hsi Fan, um die Physik dieser Kolibri-Mikropumpe genau zu erklären und neue Vorhersagen zu treffen.Unsere Forschung zeigt, wie Kolibris wirklich trinken, und liefert die ersten mathematischen Werkzeuge, um ihre Energieaufnahme genau zu modellieren. Diese Entdeckungen werden unser Verständnis ihrer Nahrungssuche Entscheidungen beeinflussen, Ökologie und Koevolution mit den Pflanzen bestäuben sie.Unsere laufende Forschung vergleicht unser neues Modell mit der Menge an Nektar, die Kolibris bei Wildblumen trinken, und untersucht die Kompromisse zwischen effizientem Trinken und dem Kampf um die Vorherrschaft über Territorien, entweder um Frauen anzulocken, um zu füttern oder beides.
Alejandro Rico-Guevara ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in Ökologie und Evolutionsbiologie an der University of Connecticut und Kristiina Hurme ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in Ökologie und Evolutionsbiologie an der University of Connecticut
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.