kolibrier lever livet på obegripliga hastigheter. Deras flygakrobatik är fantastisk, manövrerar mer som insekter än fåglar när de flyger runt, flyger upp och ner och till och med bakåt. De är en oskärpa när de tävlar mellan blommor. När de pausar för att besöka en blomma tillfälligt slickar de 15 till 20 gånger i sekunden för att extrahera sitt nektarbränsle.
titta på denna fläckiga kolibri (Adelomyia melanogenys) Töm en blomma på mindre än en sekund!
vad som gör dem så spännande för oss är resultatet av detta enkla kostval: de dricker nektar. Varje blomma erbjuder inte mycket, så för att leva av små mängder nektar spridda över skogen är kolibrier små, snabba och feisty.
att mata på nektar är kolibriernas definierande kännetecken, men hittills visste forskare inte den exakta mekaniken för hur de gör det. I vår nya studie kunde vi sakta ner dem på video för att se hur de verkligen dricker nektar. Och vad vi hittade var helt annorlunda än den konventionella visdomen sedan 1800-talet.
denna lilla röda fakturerade smaragdkolibri (Chlorostilbon gibsoni) matar på tusentals blommor om dagen. Kristiina Hurme, CC BY-ND
rörmatning?
Hummingbirds smala tungor är ungefär lika långa som deras räkningar. De är perfekt anpassade för att nå djupt in i en blomma. I över 180 år trodde forskare att för att dricka nektar förlitade sig kolibrier på kapillärverkan. Tanken var att deras tungor skulle fyllas med nektar på samma sätt som ett litet glasrör fyller passivt med vatten.
fysiken för kapillärverkan bygger på två krafter. Vidhäftning av de flytande molekylerna till rörväggarna gör att vätskan klättrar på sidorna. Ytspänningen håller vätskan ihop och drar hela vätskekolonnen uppåt.
en kolibri långa mager tunga har två spår som löper ner i mitten och slutar i en gaffelspets som sprider sig inuti nektaren. Alejandro Rico-Guevara, CC BY-ND
kapillärverkningsteorin var meningsfull eftersom en kolibris tunga har två rörliknande spår. Det skulle vara ett enkelt, passivt sätt för nektar att resa upp tungan.
kolibrier är snabbare än det
men från att titta på kolibrier i min (Rico-Guevaras) infödda Colombia kände vi att kapillaritet bara inte var tillräckligt snabb för att hålla jämna steg med hur kolibrier matar. Vi förutspådde att kapillaritet var för långsam för att redogöra för de snabba slickfrekvenserna som observerades i fritt levande kolibrier. Kom ihåg att de kan tömma en blommas nektar med cirka 15 slickar på under en sekund!för fyra år sedan utmanade en av oss (Rico-Guevara) och kollega Margaret Rubega de konventionella övertygelserna om kapillärverkan för första gången. Vi visade att de gafflade tungspetsarna inte är statiska, men dramatiskt spridda inuti nektaren, med fransade kanter som öppnar sig som små händer. När kolibri drar tillbaka tungan från nektar, stänger dessa fransar på grund av de fysiska krafterna i ytspänning och Laplace-tryck, och fångar nektar i sina grepp. På grund av denna omvandling av tungformen förblir tungspetsarna inte i den rörform som är nödvändig för kapillärverkan.
Så hur fyller resten av tungan med nektar?
Vi bestämde oss för att studera en medley av kolibriarter för att se vad dessa fåglar verkligen gjorde på blommorna. Vi behövde ett sätt att mäta tungans tjocklek under drickprocessen – enkelt, men inte en lätt uppgift.
Vi designade genomskinliga konstgjorda blommor som vi filmade med slow-motion-kameror. Från dessa videor kunde vi sedan spåra tungans form under hela slickcykeln. Den svåra delen var att övertyga vilda kolibrier att dricka på kommando. Med tiden tränade vi dem genom att habituera dem till de falska blommatarna och hela vår filminställning.
vilda kolibrier blev vana vid de ljusa lamporna och stora kamerorna – redo att bli våra filmstjärnor. Kristiina Hurme, CC BY-ND
Science Discovery Via Slow Motion Video
när en kolibri sätter in sin räkning i en blomma, behöver den fortfarande hålla sin långa tunga djupare inuti för att komma in i nektaren inuti. När tungan fylls med nektar drar fågeln tillbaka tungan inuti räkningen. Forskare visste redan att för att hålla nektaren inuti näbben klämmer kolibrien tungan med näbbspetsarna när den förlängs för nästa Slicka. Det komprimerar och plattar tungan på väg ut och lämnar nektaren inuti räkningen. Det sätt på vilket nektaren flyttas från näbbspetsen till var den kan sväljas förblir okänd.
för att studera tungfyllningsmekanismen fokuserade vi på den plana formen på tungan som varje Slicka börjar med. Om kolibrierna använde kapillaritet, när nektaren hade kommit in i fågelns mun, skulle tungan omedelbart behöva återställa sin rörliknande form innan han rörde nektaren igen.genom att noggrant studera våra slow motion-videor av fåglarna som dricker vid de genomskinliga blommorna såg vi att tungan förblev platt efter klämningen även när den reste genom luften för att nå nektaren för en ny slurk. Det snäpp inte tillbaka till sin ursprungliga Pre-drink rörliknande form.
Vi studerade 18 kolibrier, och i hundratals licks fann vi att tungan förblev platt tills den berör nektaren. Detta var ett viktigt resultat eftersom det visade att tungan inte hade det tomma utrymmet inuti som behövdes för kapillärverkan att fungera. Slutligen kan vi med säkerhet utesluta kapillaritet som viktigt för kolibri dricka.
hur de verkligen pumpar nektaren i
vad vi hittade går utöver att bara debunking kapillaritet. Kolibrier har slagit på ett oväntat sätt att flytta vätska mycket snabbt i denna mikroskala: deras tungor är elastiska mikropumpar.
spåren i kolibritungan når inte halsen, så fågeln kan inte använda dem som små sugrör. Av denna anledning, istället för att använda vakuum för att generera sug – Tänk dig att dricka lemonad ur ett sugrör – fungerar systemet som en liten pump, som drivs av tungans fjädring. Fågeln krossar tungan platt, och när den springer upp drar denna expansion snabbt nektaren in i spåren i tungan. Det visar sig att det är elastisk energi – potentiell mekanisk energi som lagras av plattningen av tungan – som låter kolibrier samla nektar mycket snabbare än om de förlitade sig på kapillaritet.
medan tungan rör sig genom luften, bevaras den elastiska energin som laddas in i spårväggarna under plattningen av ett återstående vätskeskikt inuti spåren som fungerar som ett lim. När tungan berör nektaren tillåter tillförseln av vätska frisättningen av den elastiska energin som expanderar spåren och drar nektaren för att fylla tungan.
som en kolibri drycker, varje Slicka samlar nektar, medan snabbt förbereda tungan pumpen för nästa Slicka. Alejandro Rico-Guevara, CC BY-ND
som biologer var vi upphetsade av denna nya upptäckt, men behövde hjälp av en expert på vätskedynamik, Tai-Hsi Fan, för att exakt förklara fysiken i denna kolibri mikropump och att göra nya förutsägelser.
vår forskning visar hur kolibrier verkligen dricker och ger de första matematiska verktygen för att exakt modellera sitt energiintag. Dessa upptäckter kommer att påverka vår förståelse av deras foderbeslut, ekologi och samevolution med de växter de pollinerar.
vår pågående forskning jämför vår nya modell med hur mycket nektarkolibrier dricker på vildblommor och tittar på avvägningarna mellan att dricka effektivt och kämpa för dominans över territorier antingen för att locka kvinnor, att mata eller båda.
Alejandro Rico-Guevara är forskningsassistent i ekologi och evolutionär biologi vid University of Connecticut och Kristiina Hurme är forskningsassistent i ekologi och evolutionär biologi vid University of Connecticut
denna artikel publicerades ursprungligen på konversationen. Läs den ursprungliga artikeln.