Kolibris gelangen durch ihr einzigartiges Seitwärtsflattern durch kleine Öffnungen

Die meisten Vögel, die durch dichte Laubwälder fliegen, haben eine Strategie, um durch enge Fenster in der Vegetation zu manövrieren: Sie beugen ihre Flügel am Handgelenk oder Ellbogen und rennen hindurch.

Aber Kolibris können ihre Flügelknochen während des Fluges nicht beugen. Wie kommen sie also durch die Lücken zwischen Blättern und verfilzten Ästen?

Eine heute in der veröffentlichten Studie Zeitschrift für Experimentelle Biologie zeigt, dass Kolibris ihre eigenen einzigartigen Strategien entwickelt haben – sogar zwei davon. Über diese Strategien wurde bisher noch nicht berichtet, wahrscheinlich weil Hummer zu schnell manövrieren, als dass das menschliche Auge sie erkennen könnte.

Da die schlitzartigen Lücken zu schmal sind, um ihre Flügelspannweite unterzubringen, rutschen sie seitwärts durch den Schlitz und schlagen ständig mit den Flügeln, um nicht an Höhe zu verlieren.

Bei kleineren Löchern – oder wenn die Vögel bereits wissen, was sie auf der anderen Seite erwartet – spannen sie ihre Flügel ein, gleiten hindurch und schlagen weiter, sobald sie frei sind.

„Für uns wäre bei den Experimenten das Tuck-and-Glide die Standardeinstellung gewesen. Wie hätten sie sonst durchkommen sollen?“ sagte Robert Dudley, Professor für integrative Biologie an der University of California in Berkeley und leitender Autor des Artikels. „Dieses Konzept der Seitwärtsbewegung mit einer völligen Verwechslung der Flügelkinematik ist ziemlich erstaunlich – es ist eine neuartige und unerwartete Methode des Öffnungsdurchgangs. Sie ändern die Amplitude der Flügelschläge, so dass sie nicht vertikal abfallen, wenn sie fliegen.“ Mach den Seitwärtsscooch.

Die Verwendung der langsameren Seitwärts-Scooch-Technik ermöglicht es Vögeln möglicherweise, bevorstehende Hindernisse und Hohlräume besser einzuschätzen, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen verringert wird.

„Mehr darüber zu erfahren, wie Tiere Hindernisse und andere ‚Bausteine‘ der Umwelt, wie Windböen oder turbulente Regionen, überwinden, können unser Gesamtverständnis der Fortbewegung von Tieren in komplexen Umgebungen verbessern“, bemerkte Erstautor Marc Badger, der seinen Doktortitel erlangte .D von der UC Berkeley im Jahr 2016.

„Wir wissen immer noch nicht viel darüber, wie der Flug durch Unordnung durch geometrische, aerodynamische, sensorische, metabolische oder strukturelle Prozesse eingeschränkt werden könnte. Sogar Verhaltenseinschränkungen könnten durch längerfristige Auswirkungen wie Abnutzung des Körpers entstehen.“ Dies wird durch die Verschiebung der Aperturverhandlungstechnik angedeutet, die wir in unserer Studie beobachtet haben.

Das Verständnis der Strategien, die Vögel nutzen, um sich durch eine unübersichtliche Umgebung zu manövrieren, könnte Ingenieuren letztendlich dabei helfen, Drohnen zu entwickeln, die sich besser in komplexen Umgebungen zurechtfinden, bemerkte er.

„Aktuelle ferngesteuerte Quadrocopter können die meisten Vögel im offenen Raum in den meisten Leistungsmaßstäben übertreffen. Gibt es also einen Grund, weiterhin von der Natur zu lernen?“ sagte Dachs. „Ja. Ich denke, es liegt an der Art und Weise, wie Tiere mit komplexen Umgebungen interagieren. Wenn wir das Gehirn eines Vogels in einen Quadrocopter stecken würden, wäre dann der Cyborg-Vogel oder ein normaler Vogel besser in der Lage, im Wind durch einen dichten Wald zu fliegen? Möglicherweise gibt es viele sensorische und… physikalische Vorteile für den Flügelschlag in turbulenten oder unruhigen Umgebungen.

Hindernisstrecke

Um herauszufinden, wie Kolibris – in diesem Fall vier einheimische Anna-Kolibris (Calypte anna) – durch winzige Öffnungen schlüpfen, obwohl sie ihre Flügel nicht falten können, haben sich Badger und Dudley mit den UC Berkeley-Studenten Kathryn McClain, Ashley Smiley und Jessica Ye zusammengetan.

„Wir haben eine zweiseitige Flugarena aufgebaut und uns gefragt, wie man Vögeln beibringen kann, durch eine 16 Quadratzentimeter große Lücke in der Trennwand zwischen den beiden Seiten zu fliegen“, sagte Badger und bemerkte, dass die Kolibris eine Flügelspannweite von etwa 12 Zentimetern haben ( 4 3/4 Zoll). „Dann hatte Kathryn die erstaunliche Idee, abwechselnde Belohnungen zu verwenden.“

Das Team stellte auf beiden Seiten der Trennwand blütenförmige Futtertröge mit einem Schluck Zuckerlösung auf, füllte die Futtertröge jedoch erst aus der Ferne wieder auf, nachdem der Vogel das gegenüberliegende Futtertröge aufgesucht hatte. Dies regte die Vögel dazu an, ständig durch die Öffnung zwischen den beiden Futterhäuschen hin- und herzuhuschen.

Anschließend variierten die Forscher die Form der Öffnung, von oval bis kreisförmig, in Höhe, Breite und Durchmesser von 12 cm bis 6 cm, und filmten die Manöver der Vögel mit Hochgeschwindigkeitskameras. Badger schrieb ein Computerprogramm, um die Position des Schnabels und der Flügelspitzen jedes Vogels zu verfolgen, wenn er sich der Öffnung näherte und durch sie hindurchflog.

Sie fanden heraus, dass die Vögel, wenn sie sich der Öffnung näherten, oft kurz schwebten, um sie zu beurteilen, bevor sie seitwärts hindurchflogen. Dabei streckten sie einen Flügel nach vorne, während sie den zweiten Flügel nach hinten schlugen, und flatterten mit den Flügeln, um ihr Gewicht zu tragen, während sie durch die Öffnung flogen. Dann schwenkten sie ihre Flügel nach vorne, um ihren Weg fortzusetzen.

„Die Sache ist, dass sie immer noch die Gewichtsunterstützung aufrechterhalten müssen, die von beiden Flügeln ausgeht, und dann den horizontalen Schub kontrollieren müssen, der sie nach vorne drückt. Und sie tun dies, indem der rechte und der linke Flügel sehr seltsame Dinge tun.“ „sagte Dudley. „Dies ist wieder einmal ein weiteres Beispiel dafür, wie wir in einer experimentellen Situation Kontrollfunktionen hervorrufen können, die wir bei einem normalen schwebenden Kolibri nicht sehen.“

Alternativ schlugen die Vögel ihre Flügel nach hinten und hefteten sie an ihren Körper, schossen mit dem Schnabel voran wie eine Kugel hindurch, bevor sie die Flügel nach vorne schlugen und nach dem sicheren Durchdringen wieder mit dem Flattern fortfuhren.

„Sie scheinen die schnellere Methode, den ballistischen Buzz-Through, anzuwenden, wenn sie sich besser mit dem System vertraut machen“, sagte Dudley.

Lediglich bei der Annäherung an die kleinsten Öffnungen, die eine halbe Flügelspannweite breit waren, griffen die Vögel automatisch zum Fangen und Gleiten, obwohl sie mit der Anordnung nicht vertraut waren.

Das Team wies darauf hin, dass nur etwa 8 % der Vögel ihre Flügel abschnitten, als sie die Trennwand passierten, obwohl es bei einem Vogel zu einer schweren Kollision kam. Selbst dann erholte sich der Vogel schnell, bevor er das Manöver erfolgreich erneut versuchte und sich auf den Weg machte.

„Die Fähigkeit, zwischen mehreren Strategien zur Überwindung von Hindernissen zu wählen, kann es Tieren ermöglichen, sich zuverlässig durch enge Lücken zu zwängen und sich von Fehlern zu erholen“, bemerkte Badger.

Dudley hofft, weitere Experimente durchführen zu können, vielleicht mit einer Abfolge verschiedener Öffnungen, um herauszufinden, wie Vögel mehrere Hindernisse überwinden.