Kolibriens tunge-design


Av David Coppedge, September 8, 2022; Oversatt herfra.


kolibri flyrEt av de minneverdige øyeblikkene i Illustra Medias dokumentar Flight: The Genius of Birds er kolibri-tungeanimasjonen (se den nedenfor). Den unike nektarfangende mekanismen med utfoldende klaffer (lameller) på støttestenger som automatisk foldes over for å forsegle nektaren ble oppdaget av to biologer ved University of Connecticut (se artikkelen i PNAS). Dette var banebrytende vitenskap, fordi de fleste biologer tidligere hadde antatt at tungen virket ved enkel kapillærvirkning.

Bilde 1. Vingen slår raskere enn vi kan se


Video: Kolibriens tunge


De to biologene har fortsatt arbeidet sitt siden den gang, med å filme kolibrier i naturen. Sammen med en mekanisk ingeniør som er ekspert på fluidmekanikk, publiserte de en artikkel i Proceedings of the Royal Society B som burde øke vår beundring for utformingen av denne strukturen. Det er ikke bare en nektarfelle; kolibri-tungen er en mikropumpe!
Nyheter fra UConn Today inkluderer et videoklipp (nedenfor) av tungen i aksjon. De nye funnene avkrefter forestillingen om at kapillærvirkning kalt "wicking" trekker nektar opp på tungen.


Kolbris fjærdraktVideo Kolbibriens tunge i sakte film.


-Rico-Guevara forklarer at en kolibri-tunge, som kan stikkes ut omtrent like lang som nebbet, er spisset med to lange tynne rør, eller riller. I stedet for å transportere, sier han, trekkes nektaren inn i tungen av den elastiske utvidelsen av sporene, etter at de er presset flatt av nebbet.
Tungestrukturen kollapset i løpet av tiden tungen krysser rommet mellom nebbspissen og nektarbassenget, men når spissen kommer i kontakt med nektaroverflaten, lar tilførselen av væske det kollapsede sporet gradvis gjenopprette seg til en avslappet sylindrisk form ettersom nektaren fylles i den.
Når kolibrien presser nektar av tungen under fremføringen , kollapser sporene og den laster elastisk energi inn i sporveggene. Den energien letter deretter pumpingen av mer nektar.

Bilde 2. Noen kolibriarter har nydelige farger

I samspill med lamellene
Denne pumpende handlingen fungerer tilsynelatende sammen med lamellene (klaffene) vist i Illustra-filmen. Sylindrene er i en flat form når de kommer inn i nektaren. Etter å ha blitt komprimert av nebbet, lagrer de elastisk energi som gjør at de raskt utvider seg i væsken når de folder seg ut. Denne utvidelsen hjelper til med å pumpe væsken inn i det sylindriske hulrommet oppover fra lamellene. På den måten kan mer nektar leveres inn i fuglens munn.


Figur 1 viser nebbet i tverrsnitt fra en CT-skanning. Den ser vakkert ut for å klemme tungens sylindre under fremspring, med det nedre nebbdelen som passer inn i mellomrom i den øvre nebbdelen som sprer seg sideveis for å flate ut tungen når den kommer ut av nebbspissen. Denne utformingen klemmer sannsynligvis også den forrige belastningen av nektar inn i munnen samtidig. "Etter fullstendig lasting ble sporene fylt med nektar brakt tilbake inn i nebbet og klemt sammen for neste syklus, alt på mindre enn en tiendedel av et sekund," observerer de. Bildeteksten til figur 1 forklarer hvordan disse to mekanismene (pumping og fangst) fungerer sammen:


-Kolibri-tungen fylles med nektar selv når bare spissen er nedsenket. (a) Kolibrier kan drikke av blomster med krone som er lengre enn nebbet ved å utvide de todelte, langsgående rillede tungene for å nå nektaren. Under fremspringet komprimeres fjæren når den passerer gjennom nebbspissen, noe som resulterer i en kollapset konfigurasjon av sporene (tverrsnitt). (b) Når de når nektaren, ruller tungetuppene med lameller seg opp og spres fra hverandre, men noen av de rillede delene av tungen vil aldri komme i kontakt med nektarbassenget. For at sporene skal fylles med nektar, må de gå tilbake til sin ukomprimerte, sylindriske konfigurasjon.


Hvorfor går ikke den kollapsede tungen tilbake umiddelbart etter at den forlater nebbet og kommer inn i luften? Det vil resultere i åpne rør som må fylles ved kapillærvirkning når de kommer inn i nektaren. Men kapillærvirkningen er mye langsommere enn den observerte fyllingen. Tilsynelatende er tungematerialet designet for å utvide Kolibri-tungeseg ved kontakt med nektaren. "Etter å ha kontakt med overflaten, utvidet sporene seg og fylte seg helt med nektar," fant de.

Bilde 3. Kolibri-tunge i virksomhet

Fugler i naturen
Alle kolibrier har denne mekanismen. De filmet 32 ​​ville fugler, som representerte 18 arter (i 7 av de 9 hovedkolibrikladene), med et høyhastighetskamera i naturlige ville habitater, som gjennomgikk hundrevis av fôringssykluser - alle med de samme resultatene. Dette tillot dem å falsifisere det "århundre gamle paradigmet" med kapillærhypotesen og kaste nytt lys over denne raske, dynamiske prosessen.


-All observert suging fulgte det samme mønsteret: tungetykkelsen var stabil under fremspringet av tungen, og økte raskt etter at tungetuppene kom i kontakt med nektaren... Etter fullstendig lasting ble sporene fylt med nektar brakt tilbake inn i nebben og klemt sammen for neste syklus , alt på mindre enn en tiendedel av et sekund.
Kapillærvirkning kunne ikke ha fylt sylindrene så raskt. I tillegg ble det ikke observert at det ble dannet menisk (diagnostikk av kapillaritet) i noen av de 96 videosesjonene.

Pumpehandlingen, derimot, fyller hele tungen på bare 14 millisekunder. Slik fungerer det, i henhold til deres nye modell:
-Vi foreslår at mens den klemmer nektar av tungen under fremsføringen, kollapser fuglen rillene og laster elastisk energi inn i rilleveggene som deretter vil bli brukt til å pumpe nektar inn i rillene. Den kollapsede konfigurasjonen blir bevart under tungens tur over rommet mellom nebbspissen til nektarbassenget. Når tungetuppene kommer i kontakt med nektaroverflaten, lar tilførselen av væske det kollapsede sporet gradvis komme seg tilbake til en avslappet sylindrisk form inntil nektaren har fylt den helt; heretter refererer vi til denne tidligere udokumenterte mekanismen som 'ekspansiv fylling'.

 

Flatet og forseglet


Tungen holder seg flat og forseglet, kort sagt, til den treffer nektarbassenget. Deretter, inne i væsken, utvider tungens tvillingsylindre seg raskt, og pumper nektar opp i tungen mens den suser inn i blomsten med hastigheter på en meter per sekund. Når tungen trekkes tilbake, forsegler lamellene sylinderen tett lukket for levering inn i fuglens munn. Dette er en fantastisk dobbel mekanisme som resulterer i mye mer effektiv matfangst på langt kortere tid.
-Væskefangst er den dominerende prosessen der kolibrier oppnår nektarinnsamling på små nebbspiss-til-nektaravstander, der tungesporene er helt nedsenket i nektar, eller når nektaren finnes i svært tynne lag. Ekspansiv fylling står for nektaropptak av delene av en kolibri-tunge som forblir utenfor nektarbassenget. De relative bidragene til de to synergistiske mekanismene (væskefangst og ekspansiv fylling) til hastigheten og volumet av nektar som til slutt inntas bestemmes av avstanden fra nebbspissen til nektaroverflaten under sugeprosessen.

tunge-lameller-kolibri-lukker segBilde 4. Tunge-lameller-kolibri lukker seg


Med andre ord gir disse to "synergistiske mekanismene" kolibrien størst mulig nektar for pengene, uavhengig av hvor dypt nektarbassenget er. Den nye modellen forklarer hvordan tungen kan fylles selv i en kort blomst. Siden kolibrier allerede "har bemerkelsesverdig høye metabolske hastigheter, utrolig hastighet og suveren styringsskontroll", er det viktig at de får optimal avkastning på investeringen av fôringsenergi.
Alle disse egenskapene er et resultat av kolibriers evne til å spise nektar effektivt nok til å gi en ekstrem livsstil ut av en sparsom, men energisk tett ressurs. Derfor bestemmer måten de lever av nektar på toppene og spennvidden av deres ytelse, og dermed deres oppførsel (og evolusjonær bane), på tvers av en rekke miljøakser.

 

Hvordan bidro evolusjonen?


Men bidro evolusjonsteorien noe til denne studien? Forfatterne spekulerer kort om "sam-evolusjon" av blomster og deres pollinatorer, men tilbyr ingen 'bane' som en fugl kan utvikle en av disse mekanismene fra forfedre som mangler dem. Hvor nyttig er det å tilby bevisfrie løfter som dette?
-Den nye forklaringen av mekanikken for nektaropptak vi gir her, antyder at fysiske begrensninger er hoveddeterminantene for forholdet mellom pollinatortype og nektarkonsentrasjon, og kan lede oss gjennom alternative hypoteser om koevolusjon av kolibri-blomst.

Bilde 5. Kolibri suger i flyvende tilstand


Derimot sparer de sine beste linjer for det som kan kalles (men ikke av forfatterne) intelligent design. Artikkelen begynner:
-Pumping er en viktig naturlig prosess, imitert av mennesker i tusenvis av år. Vi demonstrerer at en hittil udokumentert mekanisme for væsketransport pumper nektar inn til kolibri-tungen.

Dette innebærer en sømløs forbindelse mellom menneskelig design og biologisk design. De konkluderer med designtemaet:
-Vår oppdagelse av denne elastiske tunge-mikropumpen kan inspirere applikasjoner, og studiet av flyt, i elastisk-veggede (fleksible) rør i både biologiske og kunstige systemer.
Du skjønner, ikke bare inspirerer et designfokus til studier av biologiske systemer, det fører til bedre utformede applikasjoner. Alle kan være enige om dette: kolibrier er inspirerende!


Denne artikkelen ble opprinnelig publisert i 2015.

Bilde 6: David Coppedge

D. Coppedge
David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å ha delt materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte mot ham uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

 


Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund