Плавание и ныряние. Птицы, имея объемистые лежащие внутри тела и под кожей воздушные мешки, а также полые кости (главным образом у крупных птиц), — легче воды и не тонут. Однако загнанная в воду чисто наземная птица впадает обычно в такой страх, что совершенно не в состоянии плавать: она бьет крыльями по поверхности воды, стремясь как можно скорее взлететь. Если это ей сразу не удается, она быстро намокает и в конце концов погибает. Конечно, насквозь промокшие птицы погружаются в воду много глубже, чем когда оперение у них сухое и содержит много воздуха. Разница в удельном весе совершенно сухой птицы и такой, у которой перо пропиталось водой (что соответствует примерно полностью ощипанной птице), весьма значительна. Это можно видеть из следующего сравнения. Нормальный, умерщвленный без каких-либо существенных повреждений селезень кряковой утки весил 1337 граммов. Со сложенными и укрытыми „под покровными перьями крыльями, т. е., следовательно, в обычном для него положении, он вытеснил 2060 кубических сантиметров воды. Та же самая, но только тщательно ощипанная птица весила 1270 граммов, а объем вытесненной ею воды равнялся 1390 кубическим сантиметрам. Это значит, что между перьями, весившими всего только 67 граммов, находилось 650 кубических сантиметров воздуха. Удельный вес птицы в пере составлял 0,6, а ощипанной — 0,91, т. е. она не тонула в воде, но над водой была видна лишь незначительная часть ее тела.
У всех плавающих птиц, за исключением только баклана и пеликана, крылья обычно бывают сложены и прикрыты перьями, образуя недоступный для воды карманчик; наружу торчат только кончики маховых перьев. Эти птицы плавают как бы в лодке, так что не только тело у них сохраняется сухим, но от намокания защищены и крылья. В Германии распространен шутливый диалог, когда на
вопрос, хотели бы вы быть лебедем, собеседник отвечает, что у него нет никакого желания мочить целыми днями живот в холодной воде. Между тем, этот диалог основан на совершенно ложной предпосылке, так как лебедь покоится на воде на водонепроницаемой и теплой подстилке из перьев. Но как скоро названная подстилка оказывается где-либо поврежденной, птица уходит на сушу и только против воли может оказаться опять в воде. Если плавающей птице сырость попадет под контурные перья или под крылья, то она, проделав несколько движений купанья, начнет приводить себя вновь в порядок и несколькими резкими взмахами крыльев стряхнет с них воду — «обмахивает себя крыльями». Подобное же движение делают и чисто наземные и болотные птицы, когда купаются в воде или принимают пылевую ванну. Так как птица в пере много легче воды, то она уже в силу этого плавает на ее поверхности, и тем не менее, нам часто, даже от образованных людей, наблюдающих плавание крошечного утенка, приходится слышать удивленные возгласы: «Смотрите-ка, он может уже плавать!» Люди не знают, что и мертвый утенок, если только перо его хорошо смазано жиром, не тонет. Удивительно не то, что утенок плавает, а то, что уже в первые часы своей жизни, как только он сошел на воду, он может нырять, а для этого ведь нужны уже известная ловкость и большое напряжение толкающих вверх лапок. Если движение лап прекращается, то утенок выскакивает вверх, как пробка. Птенцы начинают упражняться в нырянии тотчас же, как только впервые сойдут на воду, т. е. в возрасте нескольких часов. Во взрослом состоянии эти птицы погружаются под воду очень редко. Подобное упражнение в нырянии, видимо, имеет для птенцов очень большое значение, так как иначе они легко могут быть схвачены болотным лунем.
Во время плавания по поверхности воды ноги работают поочередно, как и при ходьбе. Подавая ногу вперед, птицы собирают пальцы и плавательную перепонку вместе, так что сопротивления этому движению со стороны воды почти нет; к тому же они сгибают ногу в месте сочленения пальцев с плюсной. Многие очень хорошие пловцы имеют плюсну, сильно сжатую с боков наподобие лезвия ножа. При обратном движении, т. е. когда птица загребает воду, пальцы у нее широко расставлены, и плавательная перепонка растянута. Этими движениями мускулистые ноги гонят птицу быстро вперед. В чрезвычайной стремительности и силе ног птицы можно убедиться, если взять в руки поганку. Случается, что быстрое выпрямление ноги в воздухе приводит к растяжению жил, которое не проходит у птицы в течение нескольких дней. В отличие от нормальных плавательных движений ног лебедь, когда он принимает горделивую позу нападения, гребет своими мощными лапами одновременно, так что при каждом толчке их вода перед его грудью пенится.
Ныряние начинается у большинства птиц с прыжка или, так сказать, впрыгивания в воду. Однако многие птицы могут погружаться в воду и постепенно, сжав оперение, прижав плотно крылья и, видимо, удалив воздух из воздушных мешков: их удельный вес становится тогда меньше. При этом ноги птицы сильно загребают снизу вверх, в то время как голова и шея раньше всего остального опускаются под воду. Многие ловящие рыбу птицы, когда они голодны, погружают свою голову под воду выше глаз и, таким образом, высматривают добычу без помех от ряби и отражений на воде. За исключением пингвинов, почти все птицы плавают по поверхности воды исключительно с помощью ног. При плавании под водой морские нырковые утки (гаги, турпаны) и оляпка помогают себе также крыльями. Чистики, кайры и пингвины ныряют исключительно с помощью крыльев, причем ноги вытягивают назад и действуют ими как рулями. Гагары и поганки, так же как и нырковые утки, держат под водой свои крылья сомкнутыми и спрятанными в оперении. У бакланов, однако, крылья слишком велики и нет «карманчика», необходимого для плотного складывания их в оперении; в связи с этим их крылья во время ныряния полуоткрыты и несколько расставлены, хотя для движения они все равно не употребляются. По этой причине бакланы, в отличие от утиных птиц, не отдыхают на воде, а входят в нее, только когда кормятся; насытившись, они летят на сушу и долго сушат там свои крылья, расправив их, подобно геральдическому орлу. Пеликаны, родственные бакланам, тоже не имеют прикрывающих крылья перьев; чтобы предотвратить крылья от намокания, пеликаны плавают, подобрав их вверх. Крупные виды пеликанов вообще не ныряют; они слишком легки для этого, — вся кожа у них, можно сказать, подостлана воздухом. Более мелкие морские пеликаны погружаются в воду лишь на короткое время, бросаясь в нее сверху за выслеженной во время полета рыбой. Так поступают и олуши, крачки и некоторые зимородки (Ceryle); так же поступает, в сущности, и скопа, только она схватывает добычу не клювом, как названные выше птицы, но когтями. Из тех птиц, что бросаются в воду сверху, лучше всего ныряет, конечно, олуша; она проделывает это с большой высоты и падает вертикально. Отсутствие у олуши наружных ноздрей вызвано, вероятно, тем, чтобы во время очень сильного удара о волны вода не могла проникнуть в легкие.
Наивысшую степень приспособления к плаванию и нырянию обнаруживают, конечно, обитающие в морях южного полушария пингвины. В связи с отсутствием наземных хищников они вовсе не нуждаются в полете, и весь их организм полностью приспособлен к пребыванию в воде и на воде: они идеально плавают и ныряют, но могут передвигаться также и по суше. Перьев, удерживающих около тела воздух и образующих укрывающий крылья карманчик, у них нет, как нет и маховых перьев; удельный вес весьма большой. Крылья, преобразованные в плавники, снабжены сильно развитой мускулатурой, прикрепленной к такой же, как и у летающих птиц, грудной кости и плечевому поясу. Они могут длительно работать под водой и во время спокойного плавания птицы по поверхности воды. Туловище при этом погружается в воду по самую спину. Во время торможения и поворотов крылья продолжают работать, также и при движении вперед; в связи с этим лопатки у пингвинов широкие.
Продолжительность и глубина ныряния раньше сильно переоценивались. Последние наблюдения показали, что лучшие нырцы — это чистики и кайры, поганки и гагары, бакланы, а также некоторые морские утки. Относительно пингвинов, ловящих рыбу под водой с исключительным искусством, наблюдений произведено еще недостаточно. Конечно, способы плавания под водой у всех этих видов птиц различны, в зависимости от того, продвигаются ли они с помощью только лап или также крыльев, гонятся ли они за быстро уплывающей от них рыбой или сдирают со дна растительность и водных моллюсков.
Относительно ныряния птиц наших широт имеются уже вполне надежные данные. Если не стоять на берегу с часами в руках, то продолжительность пребывания птицы под водой всегда кажется больше. Обычно наши нырковые утки находятся под водой от 1/2 до 3/4 минуты — отрезок времени, который ожидающему на берегу наблюдателю всегда кажется большим. Ловящие рыбу гагары, крохали и турпаны могут находиться под водой до двух минут, но чаще ограничиваются половиной этого времени. Большинство видов ныряет на вполне определенную глубину, на которой они находят свой основной корм: эта глубина равна примерно одному-трем метрам. Известно, что гаги, бакланы и пингвины могут нырять даже до глубины 19 метров, но это исключительные случаи. То обстоятельство, что птиц вытаскивают иногда из воды вместе с сетями, которые были погружены на глубину пятидесяти метров и даже больше, не следует расценивать как доказательство, что птицы в действительности были на этой глубине; можно быть совершенно уверенным, что они были пойманы еще или при опускании сети или во время ее поднимания. Лысуха и оляпка погружаются под воду на самую незначительную глубину и на очень короткое время; это, следовательно, — плохие нырцы. Максимальной глубиной и длительностью ныряния обладают бакланы, гагары, поганки, крохали, морские нырки (гаги, турпаны и др.) и, безусловно, пингвины. Нырять могут также все пластинчатоклювые птицы, т. е. лебеди, гуси, утки и крохали, за исключением только старых кликунов. Настоящих уток делят обычно на две группы: так называемых благородных уток и нырковых уток. Первые имеют несколько более удлиненное туловище, разыскивают корм на поверхности воды или погружая вниз только голову. Вторые характеризуются укороченным туловищем, плоско лежащим на воде, и тем, что задний палец у них имеет довольно хорошо развитую кожную оторочку. Кормясь, они погружаются под воду полностью. В Средней Европе к этим двум группам принадлежит около полудюжины видов.
Способность к нырянию доступна отдельным группам птиц в различной степени. Надо ясно представить себе, что полет и ныряние основаны на совершенно противоположных, противоречащих друг другу, особенностях строения тела птиц. Для полета птица должна быть легкой и обладать большими крыльями, для ныряния она должна быть возможно более тяжелой, иначе она просто не в состоянии будет погрузиться под воду. Наиболее благоприятно для ныряния, если птица вовсе утратила способность летать, что мы и наблюдаем на примере пингвинов, вымершей бескрылой гагарки, а также на примере крупной утки-парохода, некоторых поганок и галапагосского баклана. Все перечисленные Выше птицы могли утратить способность к полету в связи с тем, что они оседлые птицы, не нуждаются в крыльях для совершения сезонных перелетов, живут в безопасности на уединенных островах или, как в случае с пингвинами, вообще не имеют наземных врагов.
Биомеханика полёта : виды полёта
Птицы. Наиболее важной морфологической адаптацией к воздушной среде следует считать крыло.
Она родила близнецов. Когда врачи увидели это, потеряли дар речи
Подробнее
Крыло — это несущая плоскость, которая формируется маховыми перьями. На пальцах и запястьях находятся 11 маховых перьев 1-го порядка, а на предплечье — 12 маховых перьев 2-го порядка. Основу маховых перьев составляет жесткий стержень, к которому симметрично с двух сторон крепятся бородки, составляющие опахало.
Для того чтобы крыло генерировало подъемную силу, птица должна набрать стартовую скорость. Тогда воздушный поток распределяется относительно плоскости крыла таким образом, что под крылом создается повышенное давление воздуха. Над верхней поверхностью крыла воздух движется быстрее, в результате чего возникает относительное разрежение. Возникает подъемная сила, которой птица манипулирует за счет изменения угла атаки, площади крыла, торможения хвостовыми перьями.
Поддерживается скорость движения в воздухе разными способами. Разные птицы развивают в воздухе различную скорость. Она зависит от размера и формы крыла, способности птицы менять форму крыла в процессе полета, от частоты взмахов крыльями, а также от способности птицы использовать энергию воздушных потоков. Принято выделять несколько типов полета: машущий, планирующий (парящий), зависающий полет.
Машущий полет предполагает наличие у птицы коротких и умеренно широких крыльев и хорошо развитых грудных мышц, как, например, у голубя. Масса грудных мышц которых может достигать 30-40% от массы тела. Частота взмахов крыла у голубя составляет примерно 2 взмаха в 1 секунду, у более крупных птиц она реже. В качестве тормоза птицы используют хвост и частично крылья.
В организации полета важную роль играет оперение птицы. Оно придает телу обтекаемость, амортизирует влияние воздушных потоков. При толчке маховые перья смыкаются за счет сцепления крючков и бороздок и формируют относительно жесткую несущую плоскость крыла. При подъеме крыла перья размыкаются, в результате чего сопротивление воздуха резко уменьшается. При посадке птица прекращает махи крыльями, удерживая их под необходимым углом.
В финальной части в качестве тормоза используются рулевые перья хвоста и маховые перья крыла, которые разворачиваются вентральной поверхностью почти перпендикулярно направлению движения.
Планирующий полет. При планирующем полете птицы используют энергию движения воздушных потоков. Птицы имеют большую площадь крыла или за счет длины (фрегат), или за счет длины и ширины (орлы). При планировании птицы крыло принимает максимальную длину и устанавливается в пределах плоскости движения под углом 90° по отношению к продольной оси тела. При планировании птица перемещаются без потери высоты или даже набирают высоту при минимальных затратах энергии. Снижение при парении также возможно без дополнительных затрат энергии за счет нисходящих воздушных потоков.
Такие птицы, как орлы, коршуны, в меньшей мере вороны, при планировании используют энергию восходящих и нисходящих потоков воздуха. Поверхность земли прогревается и остывает неравномерно. Более теплый воздух вытесняется холодным, вследствие чего имеет место вертикальное перемещение воздушных масс. Кроме того, происходят перемещения воздуха и в горизонтальной плоскости. В горной местности горизонтально перемещающиеся воздушные потоки ударяются в преграду (склон горы) и поднимаются вверх.
У морских птиц (альбатросы, фрегаты) полет несколько отличается от планирующего полета птиц, обитающих на суше.
Они имеют длинные и узкие крылья (у фрегата и альбатроса до 4 м) при довольно крупном теле. Птицы пользуются порывами ветра, которые возникают над волнами. Используя встречные потоки воздуха, птицы набирают высоту. Затем они разворачиваются на 180° и на большой скорости планируют по ветру на отогнутых назад крыльях, теряя при этом высоту. Далее следует разворот по широкой дуге с вынесенными вперед крыльями навстречу воздушному потоку. Подобные маневры доступны и сухопутным птицам. Но и альбатрос периодически парит над волнами за счет восходящих от поверхности воды потоков воздуха так же, как это делают сухопутные птицы.
Зависающий полет. Данный тип движений в воздухе представляется наиболее энергоемким. Чтобы оставаться на месте и не потерять высоту, птицы одновременно должны создавать большую подъемную силу и торможением гасить линейное продвижение. В зависающем полете птицы производят махи крылом с большой частотой (порядка 50 взмахов в секунду). У таких птиц (пустельга, колибри) мышцы, приводящие в движение крыло, имеют очень большую массу. Только грудные мышцы могут иметь массу, составляющую 1/3 от всей массы тела. Тяга создается работой легкого и очень подвижного крыла, в составе которого преобладают длинные и относительно жесткие маховые перья 1-го порядка. Маховых перьев 2-го порядка у птиц, пользующихся зависающим полетом, не 12, а всего 6.
Млекопитающие. Локомоции в воздушной среде у млекопитающих — явление редкое. Наиболее приспособлены к полету летучие мыши. Эти животные неуверенно двигаются на земле (точнее, по вертикальным поверхностям деревьев, пещер), но виртуозно перемещаются в воздушном пространстве. Отдельные виды (например, длиннокрыл) развивают в полете на коротких дистанциях скорость до 35-40 км/час.
Летучие мыши, или рукокрылые (Chiroptera), имеют летательную перепонку большой площади. Она представляет собой складку кожи между передними конечностями, туловищем и задними конечностями, а также между пальцами передних конечностей, туловищем и хвостом. Приводят в движение летательную перепонку гипертрофированная грудная мускулатура и передние конечности. Среди летучих мышей в зависимости от строения летательных перепонок выделяют острокрылых, длиннокрылых, ширококрылых и тупокрылых летучих мышей. Биомеханика движений летучих мышей в воздушной среде принципиально не отличается от таковой птиц.
У рукокрылых можно наблюдать те же три типа полета, что и у птиц: машущий, зависающий (порхающий) и планирующий.
Кроме летучих мышей, локомоции в воздушной среде доступны белкам-летягам, обезьянам и некоторым другим мелким животным, ведущим древесный образ жизни. Среди белок, использующих воздушную среду для линейных перемещений, наиболее известны северная летяга и гигантская летяга. Последняя, несмотря на немалые размеры (длина тела 40-50 см, длина хвоста — до 60 см), хоть и не способна летать по-настоящему, тем не менее за счет планирования покрывает расстояния до 500 м. При этом белка перемещается с одного высокого дерева на другое. За счет таких локомоций грызун избегает опасных соседей на земле и меняет кормовые угодья, не спускаясь на землю. От пяток до запястий у летяг вдоль тела тянутся широкие перепонки, которые при прыжке создают несущую плоскость с довольно большой поверхностью.
Северная летяга мельче. Длина ее тела не превышает 25 см, хвоста — 18 см. Однако и эта белка легко перелетает с дерева на дерево с невысокой скоростью порядка 100 м/мин. Несмотря на то что такой полет имеет пассивный характер, тем не менее, он позволяет белкам решать жизненные задачи: уходить от хищников, находить половых партнеров и осваивать новые пищевые ресурсы.
Рыбы. Полет рыб — явление еще более редкое, чем полет млекопитающих. Однако его эффективность может быть сопоставима с полетом птиц.
Рыбы используют грудные плавники для планирования в воздухе. Так, летучие рыбы при испуге за счет броскового движения туловищных мышц, мышц хвостового стебля и интенсивной работы нижней лопастью хвостового плавника выскакивают из воды и пролетают в воздухе расстояния, позволяющие им избавиться от преследователей.
На поверхности воды летучая рыба достаточно продолжительно работает хвостом, развивая большую тягу, позволяющую ей преодолеть силу притяжения. Скорость полета этих мелких рыб превышает скорость движения преследователей (тунцы, меч-рыба), а пролетаемые ими расстояния достигают нескольких сот метров.
Другие виды рыб, например, пальцекрылы, могут не только парить, но и выполнять сложные маневры в воздухе. Пальцекрыл поднимается к поверхности воды и скользит по ней со скоростью 18 м/с. Такую высокую скорость рыба приобретает благодаря зигзагообразным движениям хвостового плавника с гипертрофированной нижней лопастью.
Скорость полета пальцекрыла сопоставима со скоростью движения современных морских судов и нередко составляет 60-70 км/час. Сильный удар хвоста поднимает рыбку в воздух на высоту 5-7 м. Пальцекрыл пролетает в воздухе до 200 м, используя при этом и воздушные потоки. Рыба способна при необходимости изменить направление полета за счет движений хвостового плавника. У нее также отмечены колебательные движения грудных плавников.
21. Особенности движений в почве на примере крота, землеройки, слепыша
Почва представляет собой еще одну среду обитания, физические свойства которой предполагают специфические адаптации животных, включая локомоции.
Сериал "Сваты" потерял сразу двух главных актеров
Подробнее
К жизни в почве приспособились животные немногих систематических групп. Среди них наибольший интерес с точки зрения обсуждаемой проблематики представляют насекомые на разной стадии онтогенетического развития и млекопитающие.
Особенностью почвенных обитателей является то, что при движении они расходуют энергию в большей мере не на преодоление силы земного притяжения, а на роющие действия, которые включают элементы раздвижения почвенных частиц с их последующим уплотнением. Поскольку плотность почвы имеет высокие значения, то затраты энергии на рытье и уплотнение частиц почвы и перемещение в почве достаточно высоки. Чаще всего работа, затрачиваемая животными на локомоции в почве, совершается в условиях гипоксии и гиперкапнии. В почве состав воздуха специфичен. Он содержит меньше кислорода и больше углекислого газа, поскольку процесс почвообразования включает окисление органики и выделение углекислого газа.
Как объект для изучения особенностей локомоций в почве интересна медведка. Это крупное роющее насекомое. Медведка имеет жесткий наружный хитиновый скелет, в силу чего выдерживает большое давление на свое тело. Первая пара конечностей у медведки (на фоне других видов насекомых) имеет гипертрофированное мышечное обеспечение. Этими конечностями насекомое совершает роющие движения. Разрыхленная почва утрамбовывается и вдавливается в стенки образующихся ходов и нор. Скорость движения насекомого в рыхлой почве достигает 1,5-2,0 м/мин при длине тела в 3-5 см.
Медведка под землей совершает специфические движения на месте, которые приводят к возникновению звуковых сигналов в частотном диапазоне 1500-3500 Гц. Так называемая песня является атрибутом только самцов. Интересно, что у каждого из трех видов медведки, встречающихся в Европе, своя специфическая песня. Но биомеханика генерации звука у них одинакова. Характер песни зависит от размеров и строения передних крыльев самца. Звук возникает в результате трения заднего края левого крыла о зазубренную нижнюю поверхность жилки на правом крыле. У медведок с небольшими крыльями и мелкими зубцами гребня песня тихая, с частотой звукового сигнала около 1500 Гц. При наличии больших крыльев и крупных зубцов в составе гребня самец издает громкие звуки с частотой в районе 3500 Гц.
Для того чтобы усилить сигнал и обеспечить его распространение на большее расстояние, самец медведки роет в земле камеру в форме рога, которая выполняет функцию подземного резонатора. Звуковая камера широким основанием выходит на поверхность земли. При «пении» самец располагается в основании этой камеры головой вниз. Поэтому генерируемый звук распространяется в резонансной камере подобно звуку в граммофонной трубе. Песня самца адресована пролетающим над норкой самкам.
Высокий уровень адаптации к жизни в почве демонстрируют и некоторые виды млекопитающих — грызунов и насекомоядных. Наиболее показательны адаптации крота. Мощными, вывернутыми наружу передними лапами крот, действуя как ложками, разрыхляет почву и отодвигает ее в стороны назад. Через вертикальные ходы (отнорки) животное передней частью тела выдавливает рыхлый грунт на поверхность. Всю свою жизнь крот остается под землей. У него редуцированные глаза, заросшие кожей. Фактически не имея зрения, крот не утратил до конца фоторецепцию. При попадании на него яркого света животное демонстрирует отрицательный фототаксис: мгновенно закапывается в землю.