Эффективность построений в полёте у перелётных птиц

Перелётные птицы, летящие на юг, демонстрируют впечатляющий пример кооперативного поведения, которое экономит силы и энергию. Раньше учёные не могли изучать это явление в естественной среде. Исследователям, которые направляли молодых лесных ибисов к местам их зимовки, впервые удалось получить всеобъемлющий набор данных. Лучшее понимание этого поведения также имеет фундаментальное значение в контексте изменения климата.

Точное построение перелётных птиц, летящих на юг клином (V-образным строем) — примечательный феномен. Оно не только впечатляет визуально, но и является особым примером кооперативного поведения в животном мире. До сих пор приблизиться к изучению явления можно было только с помощью математических моделей и симуляций, так как необходимые эмпирические данные не удавалось собрать на диких перелётных птицах. В отношении энергоэффективности такой миграции многие вопросы оставались без ответа, включая то, как это работает на самом деле и сколько энергии птицы экономят в процессе. Особой загадкой была функция ведущей птицы, которая летит впереди и, согласно гипотезе, получает наименьшую выгоду от полёта в строю.

«В предварительном исследовании мы обнаружили, что птицы сменяют друг друга, но предполагали довольно статичную систему с ведущей птицей. В текущем исследовательском проекте мы наблюдали нечто гораздо более динамичное, чем ожидали. Каждая птица брала на себя роль и лидера, и ведомого, а значит, выгоду получали все», — объясняет биолог Йоханнес Фриц.

Безопасное достижение цели

В 2018 и 2019 годах исследовательская группа направляла две группы молодых птиц в их первый перелёт из колонии в немецком городе Юберлинген-на-Боденском озере к местам зимовки в южной Тоскане, в заповеднике WWF «Оази Лагуна ди Орбетелло». Летая с птицами на мотодельтаплане, исследователи выполняли функцию ведущей птицы, что было необходимо, так как для этих молодых птиц это был первый перелёт. Это единственный способ реинтродуцировать в дикую природу лесного ибиса, исчезнувшего в Европе. Кроме того, изменение климата всё больше влияет на перелётных птиц, поэтому изучение миграционного полёта имеет большое значение для сохранения видов в Европе.

«Чем больше мы знаем о миграции и энергоэффективности, тем лучше. Всё более важным становится возможность точно моделировать миграционное поведение видов и адаптировать его к изменяющимся условиям окружающей среды», — отмечает Фриц.

В этом контексте навыки кооперации между особями играют ключевую роль в выживании как отдельной птицы, так и всей популяции. Первая миграция особенно рискованна для молодых птиц: если молодой ибис теряет контакт со своей стаей и не может присоединиться к другой группе, его ждёт неминуемая гибель. Хотя в принципе и из теоретических моделей было известно, что полёт строем экономит энергию, исследователи не знали, как именно это работает и сколько энергии птица фактически экономит.

Трудоёмкая подготовка

«Энергоэффективность — чрезвычайно важный фактор для выживаемости. Поистине увлекательно выяснить, насколько сложны требования по экономии энергии к каждой особи», — объясняет Фриц.

От вопроса о сборе данных до их анализа исследователям несколько раз приходилось прокладывать новый путь. Поэтому в команду вошли два аспиранта из Италии и Израиля, а также партнёры из исследовательских институтов Венского университета ветеринарной медицины, Венского университета, Университета прикладных наук Йоаннеум в Граце и Бернского университета.

Две группы по тридцать молодых птиц в каждой были выращены людьми. Это позволило оснастить их технологией, необходимой для сбора данных. Путешествие из Юберлингена в Тоскану заняло две недели. Всего было преодолено около 1000 километров всего за шесть или семь лётных дней, включая пересечение Альп и Апеннин и достижение высоты полёта до 2900 метров.

Новые высокоточные данные о поведении в полёте

Точное положение одной особи относительно других — летит ли она впереди или позади — является ключевым аспектом в исследовании энергоэффективности. Поэтому все особи были оснащены сверхлёгкими регистраторами данных. Каждый день исследователи устанавливали устройства на птиц и снимали их снова.

«Регистратор данных не передаёт информацию, а сохраняет её. Для нас особенно сложной задачей было достичь чрезвычайно высокой точности — до нескольких сантиметров», — сообщает Фриц.

Это стало возможным благодаря доступу к трём глобальным спутниковым навигационным системам (GPS, Galileo, ГЛОНАСС). Птица экономит энергию только если летит на определённом расстоянии от птицы впереди и точно синхронизирует взмах крыла. Поэтому датчик движения в регистраторе непрерывно измеряет как частоту взмахов крыльев, так и положение крыла. Исследователи также измерили частоту сердечных сокращений четырёх птиц с помощью электродов, чтобы выяснить, сколько энергии экономит особь в процессе. Чтобы можно было соотнести частоту сердечных сокращений с расходом энергии (уровнем метаболизма), который измеряется по выдыхаемому воздуху, необходимо было откалибровать эти два значения в лабораторных условиях. В специально разработанной аэродинамической трубе учёные-приёмные родители четырёх отдельно выращенных птенцов собрали данные по этому вопросу.

В ходе двух миграций команда собрала всеобъемлющий и новый набор данных.

«В настоящее время мы заняты оценкой данных. Мы предполагаем, что экономия энергии составит от 15 до 30 процентов. Это существенно, особенно для неопытных молодых птиц с более низкими возможностями», — подчёркивает Фриц.

С помощью этой эмпирической базы данных можно будет further улучшить миграцию под руководством человека, оптимизировав тем самым защиту видов перелётных птиц. Один вопрос остаётся: является ли это кооперативное поведение чем-то, что заложено в генах птиц, или это результат обучения на практике? По-видимому, навыки кооперации являются результатом процесса развития:

«Во время тренировочных полётов они ещё были пёстрой командой. Когда они вошли во вкус миграции, они, казалось, осознали серьёзность дела и начали лететь строем. С каждым этапом полёта кооперация становилась лучше», — отмечает Фриц, вспоминая свой увлекательный опыт «ведущей птицы».