Перелётные гуси-«американские горки»: физиология и биомеханика полёта птиц на большой высоте

Исследование перелётных полётов гуменников (Anser indicus) через Тибетское нагорье и Гималаи раскрыло, как эти птицы справляются с полётом в разреженной атмосфере гор.

Международная команда учёных под руководством доктора Чарльза Бишопа из Бангорского университета использовала специальные регистраторы данных для мониторинга высоты (по давлению), ускорения тела и частоты сердечных сокращений гусей во время миграции с мест гнездования в Монголии на зимовку в юго-восточном Тибете или Индии.

Исследование, опубликованное в Science 16 января 2015 года, показало, что гуси не летят на постоянной большой высоте, а совершают своеобразную «поездку на американских горках», следуя рельефу местности. Они неоднократно теряют набранную высоту, чтобы потом снова её набрать.

Почему они это делают?

Птицы выбирают такую стратегию, потому что полёт на всё больших высотах становится труднее: снижающаяся плотность воздуха уменьшает способность птицы создавать подъёмную силу и тягу. Кроме того, с падением атмосферного давления снижается доступность кислорода:

• 100% на уровне моря (21% кислорода)
• ~50% на 5500 м (эквивалентно 10.5% кислорода на уровне моря)
• ~33% на вершине Эвереста (эквивалентно 7% кислорода на уровне моря)

«Наши модели, основанные на изменениях частоты сердечных сокращений и вертикальных движениях тела птицы, показывают, что даже горизонтальный машущий полёт относительно дорог на больших высотах. Поэтому в целом эффективнее снижать общие затраты на полёт, находя более плотный воздух на меньших высотах», — пояснил Робин Спайви, разработчик оборудования для регистрации данных.

Команда с удивлением обнаружила, что изредка гуси летят в относительно сильных восходящих потоках воздуха. «Вероятно, в такие моменты гуменники летят по наветренной стороне стены долины. Это даёт им возможность получить помощь от ветра, отклоняемого вверх землёй (орографическая подъёмная сила), что обеспечивает дополнительную скорость набора высоты без увеличения энергозатрат или даже с их снижением», — сказал профессор Пэт Батлер.

Тонкий контроль полёта

Исследование показало, что частота взмахов крыльев у гуменников постепенно увеличивается с высотой и снижением плотности воздуха, но очень точно регулируется во время каждого полёта (типичное отклонение всего 0.6 взмаха в секунду).

Примечательно, что частота сердечных сокращений очень сильно коррелирует с частотой взмахов, но связь носит крутой экспоненциальный характер. Например, небольшое изменение частоты взмахов на +5% приводит к большому повышению ЧСС на 19% и огромному росту расчётной мощности полёта на 41%.

«Кажется, гуси должны сохранять очень тонкий контроль над циклом взмахов крыла. По мере того как они машут быстрее, амплитуда движения крыла также увеличивается. У них очень высокое «передаточное отношение» между движением крыла и сердечным выбросом. Это как ехать на велосипеде со всё большей ведущей звёздочкой по мере ускорения», — объяснил доктор Чарльз Бишоп.

Высотные рекорды и ночные полёты

Хотя предыдущие исследования показывают, что эти птицы способны летать выше 7000 м, 98% наблюдений зафиксировали их полёт ниже 6000 м. Самые высокие единичные записи — 7290 м и 6540 м, причём 7 из 8 самых высоких значений были зафиксированы ночью.

«Интересно, что полёт ночью означает, что воздух холоднее и плотнее, что снова снижает стоимость полёта по сравнению с дневным временем», — отметила доктор Люси Хоукс.

Физиологическая адаптация

Используя стратегию полёта «американские горки», а также occasional benefits of orographic lift и ночные перелёты, эти птицы минимизируют общие энергетические затраты на миграцию. «Средняя частота сердечных сокращений гуменников за весь путь из Монголии в Индию составила всего 328 ударов в минуту, по сравнению со значениями около 450 ударов в минуту, зарегистрированными в аэродинамических трубах или в редких случаях в дикой природе. Гуменники нашли способ пересечь самый высокий в мире горный массив, оставаясь в пределах своих физиологических возможностей», — сказал доктор Нямбаяр Батбаяр.

«Физиология гуменников эволюционировала несколькими способами для извлечения кислорода из разреженного воздуха на больших высотах. В результате они способны совершить то, что невозможно для большинства других птиц», — заключил доктор Грэхем Скотт.