Морські птахи-нирці, такі як північні олуші, падають у воду зі 100-футової висоти, розвиваючи швидкість до 70 миль за годину, і при цьому не ламають собі шиї. Як показало нове дослідження Університету Вашингтона, опубліковане в журналі Anatomical Record, цю екстремальну поведінку забезпечує унікальна будова їхніх шийних хребців. Про роботу розповідає матеріал Newswise Science News.
Як шия витримує удар при пірнанні
Дослідники з’ясували, що в олуш та близьких до них птахів — бубі — кілька шийних хребців з’єднані додатковою контактною поверхнею. Вона стабілізує шийний відділ хребта під час входження у воду. Крім того, загальна форма хребців у цих птахів більш «коротка й масивна», ніж у видів, які не пірнають.
Старший автор роботи Барт Бом (Bart Boom), постдокторант морської біологічної станції Friday Harbor Labs Університету Вашингтона, разом із колегами хотів зрозуміти, що робить олуш такими ефективними й стійкими до удару. Попередні роботи вже показали, що в цих птахів м’язи навколо хребців можуть «фіксувати» шию перед зіткненням з водою, але детальна морфологія шийного відділу лишалася майже недослідженою.
Інженери зазвичай віддають перевагу коротким і товстим конструкціям, коли потрібно витримувати сильне стиснення. Шия олуш, навпаки, довга й струнка, складається з 15 хребців, що утворюють легку S-подібну криву. Тому вченим було важливо з’ясувати, як такий «нестандартний» дизайн може витримувати величезний тиск під час удару об поверхню води.
3D-моделі шийних хребців і статистичний аналіз
Команда зібрала зразки як пірнаючих, так і непірнаючих птахів у музеї Бьорка. Далі вони виконали КТ-сканування, щоб отримати детальні тривимірні моделі шийних хребців, і проаналізували ці зображення методом геометричної морфометрії — статистичного підходу, який дає змогу порівнювати форму біологічних структур за заздалегідь визначеними «орієнтирами».
Для аналізу обрали види з різними стратегіями живлення і рухів головою, включно з даними з попередніх досліджень. З’ясувалося, що птахи, які активно обертають голову в різних площинах, помітно відрізняються за формою хребців від тих, у кого голова під час живлення здебільшого зазнає стиснення.
Провідна авторка роботи, аспірантка біології Меґан Вандерберг (Megan Vanderberg), зазначає, що у птахів-нирців хребці значно більш «міцні»: вони товстіші, ширші й коротші, за формою ближчі до квадрата. Така «коротка і кремезна» геометрія, за словами дослідників, краще витримує стискання.
Додаткова контактна поверхня та розподіл навантаження
Окрім загальної масивності, у олуш і бубі виявили додаткову суглобову поверхню — так звану суглобову фасетку — у другому–шостому шийних хребцях. Учені вважають, що саме ця фасетка не дає шиї надмірно відгинатися назад, коли птахи входять у воду під кутом. Замість різкого перегину навантаження розподіляється вниз по всій шийній колоні.
Подібну «блокову» форму хребців команда знайшла й в інших пірнаючих птахів, наприклад, у зимородків. Однак у них додаткової фасетки не виявили. Зимородки належать до іншої родини та значно менші за олуш і бубі, але їхні шиї еволюціонували у схожому напрямі — до більш масивних, стійких хребців.
Дослідники також помітили пропорційний зв’язок: що більша шия, то більші хребці. При цьому і в зимородків, і в більших морських нирців сила удару, що припадає на одиницю площі шийного відділу, в середньому однакова. Загальна сила масштабується з розміром шиї, але рівень напруження тканин залишається співмірним для різних розмірів.
Обидві групи птахів досягають пікового навантаження приблизно через п’ять мілісекунд після зіткнення з водою — попри суттєву різницю в габаритах.
Що це дає еволюції та майбутнім дослідженням
Робота вписується в ширшу картину еволюційних адаптацій птахів до своїх середовищ. Зв’язок між формою дзьоба та способом живлення добре вивчений ще з часів спостережень Чарлза Дарвіна за в’юрками Галапагоських островів. Натомість роль будови шиї для добування їжі довго лишалася в тіні.
Автори вважають, що встановлений зв’язок між структурою хребців і стратегією живлення може стати корисним інструментом для палеонтологів. За формою шийних хребців у скам’янілостях потенційно можна буде ідентифікувати вимерлих птахів-нирців, навіть якщо збереглися не всі частини скелета.
Надалі команда планує детальніше дослідити, як саме сила удару передається вздовж шиї та між окремими хребцями. Вандерберг зізнається, що це змусило по-новому подивитися на хребці загалом і викликало бажання уважніше вивчати цю частину скелета не лише в птахів.
У роботі також брали участь Адам П. Саммерс (Adam P. Summers), професор біології та наук про водні й рибні ресурси Університету Вашингтона, Ед Хабтур (Ed Habtour), доцент кафедри аеронавтики й астронавтики, аспірант тієї ж кафедри Джон Майкл Рейсі (John Michael Racy) та Алісса Перес (Alissa Perez) з Каліфорнійського університету в Ріверсайді. Дослідження профінансували Національний науковий фонд США та кілька благодійних фондів і програм підтримки досліджень.