Быстрее, громче, ярче: физика брачных «танцев» колибри
Кому-то нужен принц на белом коне, сразивший всех драконов в округе (да простят меня Таргариены), кому-то умный и веселый, кому-то лишь бы красивый. Но это касается нас, людей. В животном же мире, особенно среди наших пернатых друзей, все немного иначе. Чтобы завоевать расположение, самцы разных видов вытворяют самые разнообразные вещи: танцуют, поют, дерутся, строят гнезда, воруют гнезда, еще немного дерутся, дарят подарки и т.д. и т.п. Каждый вид отличается своими особенными «брачными прелюдиями». И колибри не исключение. Эти маленькие, но очень прыткие создания объединяют скорость, звук и цвет, чтобы привлечь внимание дамы сердца. И вот ученые задаются вопросом — как действия одного самца отличаются от подобных действий другого? Как самка делает выбор, и на чем он основывается? Сегодня мы с вами узнаем, как ученые преобразовали танец колибри в формулы и графики, приправив все это физическими терминами. Поехали.
Главный герой
Колибри это воистину уникальные создания. Их семейство насчитывает порядка 350 видов, которые отличаются местом обитания, телосложением, диетой и повадками. Общей же особенностью всех видов является небольшой размер тела (от 20 см до 5.5 см в длину) и очень малый вес.
Длина клюва некоторых видов колибри больше, чем длина их тела.
Так самый крупный вид, исполинский колибри, весит всего 20 грамм при длине тела в ～20 см. Забавно, учитывая наличие слова «исполинский» в названии вида. А вот самый мелкий вид, колибри-пчела, весит меньше 2 грамм при длине тела в 5.7 см.
Малые размеры и вес служат отличным подспорьем для колибри быть одними из лучших летунов на планете. Сохраняя одинаковое положение головы, колибри способны менять положения туловища в зависимости от условий полета, то есть от воздушных потоков. Также колибри обладают чрезвычайно острым зрением, помогающим им распознавать малейшие движения.
В данной работе описаны результаты наблюдений колибри в аэродинамической трубе.
Свои летные навыки колибри используют не только для охоты на насекомых, зависанию у цветков, нектаром которых они также питаются, или для избегания нежеланных встреч с хищниками, но и для дел романтических.
В период гнездования самец, дабы привлечь внимание самки, подлетает на 35 метров и камнем падает вниз. Во время этого стремительного снижения (порядка 27 м/с, то есть 97,2 км/ч) перегрузки очень велики. Если сопоставить колибри с человеком, то при подобном ускорении даже самые опытные пилоты могли бы потерять сознание. Колибри считается рекордсменом по скорости воздушного ныряния, в 2 раза опережая даже умелого хищника сапсана.
Когда колибри выполняет свой трюк слышится высокий звук, который генерируется посредством воздушных потоков и необычного оперения хвоста.
Прислушайтесь к тому, какой звук генерирует колибри своим оперением.
Добавим сюда невероятно яркий окрас и получается сразу три основных фактора, которые влияют на успех у самок: скорость, звук и цвет.
Осталось понять как это все комбинируется, есть ли какие-то критерии оценки, и как должен нырять самец колибри, чтобы однозначно привлечь внимание.
Основа исследования
Для начала ученые отмечают, что многие животные используют комбинации различных по типу сигналов для привлечения внимания партнера. Другими словами, мы видим как самец танцует или поет, но для самки это совокупность вибрационных, звуковых и других сигналов. Если они соответствуют некоему «стандарту», самец может заполучить желаемое.
Сложность заключается в том, что доселе крайне мало известно как эти сигналы воспринимаются, как они синхронизируются и в каких комбинациях, какие критерии оценки и т.д. Вопросов много, потому ученые и решили провести данное исследование.
Ученым удалось разработать новую методику анализа структуры, функций и динамики мультимодальных сигналов (когда имеется совокупность более одной сенсорной модальности). Также эта методика позволяет учитывать влияние объекта сигналов (в данном случае самки колибри), ибо его сенсорные и когнитивные процессы влияют на структуру сигнала.
С точки зрения сенсорики мультимодальные сигналы являются отличным раздражителем. Разные сигналы могут усиливать и изменять друг друга, что усиливает их восприятие объектом, на которого они направлены.
Одним из самых важных аспектов в формировании мультимодального сигнала является время, точнее синхронизация в определенном порядке всех участвующих сигналов. Это можно сравнить с пением у людей. Представьте, что певец начнет петь первый куплет, когда уже будет играть мелодия припева, и так до конца песни. То есть его голос (сигнал) не будет синхронизирован с музыкой (тоже сигнал). Вряд ли кому-то такое пение придется по душе.
Древолаз
В качестве примера ученые приводят самцов древолазов, которые не будут атаковать «искусственного» самца (моделька), если не будет синхронизации звуковых (синтетические призывные звуки) и визуальных (пульсация горлового мешка) сигналов. Сделайте пластмассовую 100% копию древолаза, положите ее рядом с самцом, и он ничего делать не будет. Даже если через динамики включить запись призывных звуков, он и не шелохнется. Но если в сопряжении с этими звуками будет визуальная составляющая, будет драка тысячелетия.
Трёхцветный селасфорус
Дабы понять синхронизацию сигналов, ученые провели наблюдения и анализ поведения самцов трехцветного селасфоруса (Selasphorus platycercus). Самцы этого вида колибри совершают «падения» (пикирование) в воздухе и вновь взлетают, формируя таким образом U-образную траекторию полета. Во время движения самцы издают жужжащий звук, генерируемые за счет хвостового оперения. Помимо этого грудка самцов окрашена в ярко красный цвет, который также является визуальным сигналом. Все это в совокупности является ничем иным как мультимодальным сигналом.
Исследователи провели количественный анализ 48 пикирований. Во время наблюдений использовался софт для отслеживания изображения и акустического анализа. Также ученые оценили полученную сигнатуру с позиции самки, учитывая эффект Доплера. Кроме того была использована вычислительная модель цветовосприятия колибри для оценки важности окраски самца как визуального сигнала.
Результаты наблюдений
Понаблюдав за сумасшедшими трюками самцов колибри, ученые подсчитали среднюю скорость падения — 23.25 м/с, что примерно равно 83.7 км/ч. Время от взлета до завершения пике составляло порядка 6.4 с.
Изображение №1: данные после наблюдений (траектория, скорость/звук, частота звуковых сигналов, изменения цвета грудки).
Звуковой анализ показал, что генерируемые крыльями и хвостом звуки можно разделить на три составляющие, которые показаны на изображении 1b. Первая часть (А, фиолетовая линия) звука возникает за счет крыльев во время нисходящего и горизонтального направления. Между этими направлениями, где самец начинает обратный взлет, возникает характерное жужжание, создаваемое хвостовым оперением. После взлета возникают короткие звуковые промежутки (B и С), которые характерны данному виду птиц при взлете.
Учитывая многокомпонентность, звуковой сигнал является динамическим, усиливаясь в падении и уменьшаясь при взлете. Ввиду эффекта Доплера, восприятие самки этого сигнала увеличивается на ~6.5%, когда самец приближается, и снижается на ~4%, когда он удаляется.
Изображение №2
Дабы понять как самки воспринимают изменения цвета грудки самцов, ученые использовали фотографии музейных экспонатов в ультрафиолетовом спектре, сделанные под разным углом. Полученную информацию объединили с данными о положении тела самца в разные моменты пикирования. Как вывод — грудка самца будет видна только когда его тело находится под определенным углом относительно неподвижной самки. Для расчетов было предложено, что угол обзора в 0° соответствует ортогональному положению тела самца относительно самки (1е). Таким образом грудка самца будет видна самке только в диапазоне от −80° (когда его клюв направлен в сторону самки при приближении) до 60° (когда его клюв направлен от самки при отдалении). За пределами этого диапазона грудка самца перекрывается его собственным телом и невинна для самки.
Использовав вычислительную модель системы цветовосприятия самки, ученым выяснили, что цвет грудки самца сильно меняется в процессе пикирования (в восприятии самки). Цвет меняется от ярко красного к темно зеленому (1е и 2с). Весь процесс смены цвета занимает порядка 120 мс.
Самым же значимым наблюдением является не визуальная смена цвета и даже не генерация звуков хвостовым оперением, а синхронизация всех сигналов в одну единую структуру (2а).
Когда самец достигает вершины горизонтальной оси траектории, он расправляет хвостовое оперение, что и приводит к генерации звука жужжания (2d и 2е). Одновременно с этим, в течении 300 мс, он демонстрирует свой красочный воротник (грудку). В этот невероятно короткий промежуток времени воспринимаемая частота жужжания возрастает, а сам самец находится максимально близко к самке. Другими словами, самец отдаляется от объекта желаний (самки), разгоняясь, включает музычку, и будучи рядом с ней, эффектно демонстрирует свой костюмчик под усилившийся за счет эффекта Доплера аккомпанемент своего хвостового оперения.
Для более подробного ознакомления с деталями исследования рекомендую почитать доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Ученые прекрасно понимают, что им еще крайне мало известно о том, как воспринимаются сигналы разными животными во время их общения. Однако в данном исследовании им удалось подтвердить важность двух аспектов — синхронизации и многомодальности, которые важны для усиления восприятия как отдельных сигналов, так и их совокупности.
Как оказалось, самцы колибри не просто красуются перед самками, а стараются выверить наилучшую траекторию, чтобы еще более эффектно завладеть вниманием к своей особе.
Мир дикой природы продолжает удивлять и умилять нас. То, что мы считаем обычным танцем или полетом ради внимания, на самом деле является сложной совокупностью сигналов, таящих в себе много и физических явлений, и биологических процессов. Как говорится, не все так просто, как кажется на первый взгляд.
P.S.
Дорогие друзья, хочу еще разик от всей души поздравить вас с наступившим новым годом. Прошедший год подарил нам немало новых открытий, удивительных исследований и весьма забавных наблюдений. Мир пополняется новыми знаниями каждый день, и я надеюсь, что в этом году мы еще не раз убедимся в этом.
Оставайтесь любопытствующими, любите науку, познавайте мир во всей его невообразимой и разнообразной красе. С Новым годом, ребята! :)
Лебеди — одни из самых утонченных птиц на планете, и танцы у них соответствующие.
На этом видео мы можем увидеть все разнообразные методики привлечения внимания самцами из семейства райских птиц: от диких танцев до демонстрации строительных навыков.
Ролик, демонстрирующий встречу галапагосских альбатросов после долгого расставания. Это моногамные птицы, создающие пару один раз и до смерти одного их партнеров.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
