Меню

Птицы которые могут летать через океан

Птицы которые могут летать через океан

Может ли птица перелететь через океан, или, откуда спортсмены черпают энергию?

Коротков К.Г., Воейков В.А.

Общепризнано, что существуют да пути извлечения энергии для совершения мышечной работы: аэробный и анаэробный. Можно сказать, что они основаны на химическом преобразовании продуктов, потребляемых организмом, с переносом электронов в митохондрии с целью производства АТФ, служащих энергетическими «батарейками» для мышц [1]. Эта точка зрения, казалось бы, хорошо описывает различные типы энергетического обеспечения организма, однако детальный биофизический анализ показывает, что данная концепция оказывается неполной.

Зададимся простым вопросом: может ли маленькая птичка перелететь через океан? Проведем несложные расчеты. Недавно в журнале « Nature » были опубликованы результаты исследований большой международной группы биологов [2]. Они провели прямые измерения энергетических затрат дроздов рода Catharus, которые в течение 42 дней путешествуют из Панамы в Канаду. Было показано, что на 4800 километров птицы (каждая весом около 30 грамм) затрачивают 4450 килоджоулей — примерно 0,93 килоджоуля на километр. При этом энергетические затраты на день полета (600 км без остановки в течение семи с половиной часов) составляют примерно130 килоджоулей, что составляет 15,5 кДж на час полета. Эти данные хорошо совпадают с результатами расчетов и лабораторных измерений в воздушном туннеле [3,4]. В тоже время, в результате прямых измерений было обнаружено, что в ходе перелета дрозды практически не теряют в весе (потери менее 6% веса), а жировая масса остается неизменной. Для птицы весом 30 г 6% составляет 1,8 г. При сжигании 1 г карбогидратов выделяется 4 ккал энергии (16,75 кДж), 1 г жиров дает 9 ккал, или 37,68 кДж [4]. Прямое преобразование массы тела весов 1,8 г в энергию может обеспечить от 30 до 68 кДж. В реальности эта цифра гораздо меньше, так как коэффициент преобразования в организме намного меньше 100%. Как мы видим, из 130 кДж, затраченных на полет, менее половины может быть обеспечено за счет сжигания пищевых запасов. Тем более это относится к птицам, летающим через Атлантику. Например, бурокрылые ржанки, имеющие средний размах крыльев всего 34 см, при своих сезонных миграциях совершают беспосадочный перелёт, со скоростью около 90 км/ч, от Алеутских до Гавайских островов – на 3300 км. С точки зрения классических представлений, такой полет невозможен, птицы должны были бы умереть от истощения где-то на полдороге. Однако, они летают уже в течение тысяч лет. Неужели птицы следуют каким-то иным, неизвестным нам, физическим законам?

Мы очень осторожно относимся к рассуждениям об «особых биологических законах, или специальной биологической энергии». Любой непонятный процесс надо сначала пытаться объяснить из известных принципов. В современной биологии очень перспективным является применение принципов СИНЕРГЕТИКИ – науки об открытых термодинамических системах. Классическая наука XIX века рассматривала все системы как ЗАКРЫТЫЕ – существующие за счет внутренних процессов. Этот подход привел к ряду тупиков в термодинамике и физике. Противоречия разрешились благодаря работам школ Ильи Пригожина и Хакена. Они показали, что большинство реальных систем в природе надо рассматривать как ОТКРЫТЫЕ – существующие за счет обмена не только веществом, но энергией и информацией с окружающим пространством. Причем с этими понятиями в каждом конкретном случае можно связать определенные физические процессы. Рассмотрим механизм извлечения энергии из воздуха на примере птиц.

Дыхательная система птиц, если не самая совершенная, то самая сложная среди позвоночных. В дыхательных путях мертвый объем ограничивается только трахеей, а воздух движется через легкие только в одном направлении, причем полный цикл воздух совершает за две пары дыхательных движений (вдох-выдох-вдох-выдох), так называемое двойное дыхание. Бронхи, войдя в легкое, отдают вторичные бронхи, частично выходящие за пределы легкого и образующие воздушные мешки, располагающиеся в различных частях тела птицы. Вторичные бронхи сообщаются между собой многочисленными парабронхами, оплетенными сетью кровеносных капилляров. Воздушные мешки в несколько раз превосходят легкие по объему. Воздушные мешки расположены между внутренними органами, между мышцами, под кожей и сообщаются с некоторыми полостями костей. Мешки не принимают участия в газообмене, они выполняют множество функций, среди которых наиболее важные это обеспечение вентиляции легких и теплоотдача. Основная особенность дыхания птиц — легкие, не подлежащие растяжению, заключенные в жесткую грудную клетку, которая не меняет своего объема. Поэтому легкие продуваются воздухом через систему бронхов, а движение воздуха обеспечивается изменением объема дыхательных мешков. Примечательно, что в дыхательных путях птиц не обнаружено никаких клапанов, так что все причудливые движения воздуха происходят по законам гидродинамики. Интенсивности газообмена способствует наличие противоточной системы кровообращения в легких птиц, т.е. кровь и воздух движутся в противоположных направлениях, на встречу друг другу. Из-за этого «более свежие» порции воздуха контактируют с «более артериальной» кровью, что обеспечивает эффективный газообмен. Птицы из 1 литра воздуха извлекают 40 мл кислорода (млекопитающие — 30 мл), при этом напряженность кислорода в артериальной крови больше, а двуокиси углерода меньше, чем в выдыхаемом воздухе! [ 5 ].

Молекула кислорода обладает рядом уникальных свойств. Она имеет два электрона с параллельными спинами на валентной молекулярной орбитали (М ↑↑, где значок ↑ обозначает электрон с определенным направлением спина [6]). Такое состояние внешней электронной оболочки называется триплетным. Триплетный кислород является потенциальным источником энергии, однако она не может быть спонтанно реализована, ибо в соответствии с законом сохранения Вигнера [7] прямая реакция с молекулами в синглетном состоянии невозможна. Это одно из условий стабильности триплетного кислорода. Существует несколько путей активации кислорода, и один из них – одноэлектронное разложение. При захвате электронов кислородом возникают промежуточные продукты – активные формы кислорода (АФК). Некоторые из них являются свободными радикалами – молекулами, имеющими нечетное число электронов на внешних орбиталях. Для получения второго электрона эти молекулы активно взаимодействуют с окружающими молекулами, служащими в качестве доноров электронов. Свободный радикал захватывает электрон и превращается в молекулу, в то время как его донор начинает искать своего донора. Таким образом, свободные радикалы могут инициировать цепную реакцию в растворах органических молекул, таких как липиды, протеины, карбогидраты. Оптимальной средой для таких процессов является кровь [8].

Читайте также:  Часы брайтлинг океан оригинал

Радикальные цепные реакции действительно могут повреждать биологические молекулы ин-витро, поэтому АФК рассматриваются в биологической и медицинской литературе как вредный для здоровья фактор. Однако, большой объем данных заставляет предположить, что в действительности АФК являются важным элементом биологического процесса. По различным оценка, 10-15% потребляемого кислорода в покое преобразуется по одноэлектронному механизму, в ходе которого генерируются АФК [9]. В условиях стресса или активной работы, когда активность энзимов, генерирующих АФК, увеличивается, потребление кислорода увеличивается на 20-40%, и весь этот избыток преобразуется по одноэлектронному механизму [10]. Следовательно, АФК должны играть важную роль в нормальной физиологии.

Замечательно то, что кислород, порождающий свободные радикалы, является в принципе, единственным средством прекращения этих реакций. Будучи би-радикалом, он может обеспечивать размножение радикалов и увеличивать вероятность их рекомбинации. Если радикал R ­ реагирует с O 2 ¯¯ , врзникает пероксил-радикал ROO ¯ . Он может захватывать протон из молекулы R ’ H , формируя молекулу пероксида ROOH и свободный радикал R ’ ¯ . Связь О-О в пероксидах относительно слабая, и при определенных условиях она разрывается, образуя два новых радикала RO ­ и HO ¯ , вдобавок к радикалу R ’ ¯ . Такой процесс называется отсроченным цепным размножением. Новые радикалы могут рекомбинировать с радикалами, имеющимися в системе, что прерывает цепную реакцию. Принципиально важно, что в процессе рекомбинации выделяются кванты энергии, эквивалентные энергии видимого или ультрафиолетового диапазона. Основной донор в этих процессах – это молекулы воды, имеющей наименьший потенциал ионизации. А. Гурвич [11] и Э. Сент-Дьерди [12] независимо показали, что в живых системах энергия электронного возбуждения не диссипирует в тепло, а пердается макромолеклам или их ансамблям. Порции энергии, эквивалентные энергии фотонов, реализуемые в реакциях рекомбинации радикалов, могут служить триггерами биохимических реакций, обеспечивая ритмический характер протекания метаболических процессов [8].

В каждой цепной реакции освобождается до 8 эВ энергии [8]. Для птицы, дышащей влажным воздухом во время полета, это создает дополнительный источник энергии для генерации АТФ в мышцах. 1 эВ равен 1.6*10 -19 Дж, в 1 c м 3 воздуха находится примерно 10 16 молекул, поэтому для генерации 100 кДж энергии птица должна переработать примерно 10 6 c м 3 воздуха. Частота дыхания птиц в полете составляет 60-160 циклов в минуту [1 3 ]. В среднем, это обеспечивает пропускание 10 3 -10 4 c м 3 воздуха в минуту. Поэтому, для пропускания воздуха птице потребуется 10 2 -10 3 минут, или от 2 до 16 часов. Это время сравнимо с длительностью миграционного полета.

Описанный механизм не претендует на полноту деталей, но он позволяет сделать несколько заключений.

    Современные биофизические концепции еще находятся в процессе формирования, окончательная картина далека от завершения.

  • Биологические организмы извлекают энергию не только из пищи, но непосредственно из воздуха, воды и света [14].
  • Внешние стимулы играют фундаментальную роль в активации внутренних процессов жизнедеятельности. Иными словами, сверхслабые информационные стимулы активируют каскады цепных гомо-кинетических реакций.
  • Изложенные принципы в определенной степени приложимы и к процессам энергетического обеспечения организма человека, особенно, в процессе активной работы, например, продолжительных спортивных состязаний. Например, на соревнованиях по триатлону спортсмены затрачивают огромное количество энергии, не имея возможности существенного ее пополнения. Естественно, рассмотренный механизм требует детального изучения применительно к организму человека, однако даже в подобном гипотетическом варианте он позволяет наметить практические пути увеличения энергообеспечения организма спортсмена.

    Источник

    Рекордные маршруты пернатых

    Доктор биологических наук Александр Тамбиев.

    О том, что птицы улетают осенью в дальние края, а весной возвращаются, писал ещё великий древнегреческий учёный Аристотель (384—322 г. до н.э.). Он поделил птиц на тех, кто живёт на одних и тех же местах круглый год, и тех, кто улетает или «исчезает» на время, как это делают, скажем, пеликаны, журавли или ласточки. Сезонное исчезновение и появление некоторых видов птиц Аристотель объяснял собственной теорией, согласно которой одни виды птиц превращаются в другие. Учёный также считал, что многие птицы, например аисты, скворцы, совы, дрозды, утки, жаворонки, в холодное время года впадают в зимнюю спячку.

    Почти две тысячи лет взгляды Аристотеля оставались непоколебимыми. Со временем достоверных свидетельств о миграциях птиц становилось всё больше. В попытках их объяснить возникали новые, совершенно фантастические гипотезы. Так, в середине XVI века шведский архиепископ Магнус предположил, что ласточки отправляются зимовать на дно водоёмов. Через два столетия англичанин Джонсон дополнил эту гипотезу оригинальным уточнением: ласточки сначала собираются в большую стаю, образуют в воздухе плотный комок и лишь потом падают на дно водоёма.

    Среди теорий, объясняющих миграции птиц, встречались и космические. По одной из них, выходило, что птицы зимуют не где-нибудь, а на Луне. Далее объяснялось, что такое огромное расстояние мелкие и слабые птички преодолевают на спинах крупных, сильных птиц. А куда потом девается этот «общественный транспорт», теория умалчивала.

    Ко второй половине XIX века появились достоверные факты, указывающие на то, что европейские птицы улетают на зимовку в Африку и Юго-Восточную Азию. Однако прямые доказательства стали накапливаться лишь тогда, когда орнитологи решили метить птиц перед их сезонными путешествиями. Вместо ранее существовавших самую удобную метку — лёгкое нержавеющее цинковое кольцо, на котором выбиты порядковый номер, дата и адрес, — придумал и впервые использовал учитель из Дании Ханс Мортенсен в 90-х годах XIX века. С тех пор мечение птиц называют кольцеванием. Одно движение щипцов — и колечко отправляется в путешествие вместе с пернатым хозяином, чтобы через какое-то время в другой стране или даже на другом континенте его сняли с лапки птицы, записали число и время и выслали по указанному адресу.

    Читайте также:  Чем связаны материки с океанами

    Кольцевание птиц приобрело в мире огромный размах. Только в США и Канаде окольцовано более 50 млн птиц, и каждый год в этих странах кольцуют около 600 тыс. птиц. Примерно столько же птиц окольцовано в странах Европы. В советские времена у нас окольцовывали более 300 тыс. птиц в год, сейчас несколько меньше. Россия входит в Международный комитет по кольцеванию птиц и сотрудничает с национальными центрами кольцевания в 55 странах Америки, Европы, Азии и Африки.

    Кольцеватели действуют очень осторожно и порой хитроумно. Чтобы поймать птицу, они используют почти незаметные, тончайшие сети, которые развешивают в местах пролёта птиц на длинных шестах или ветках деревьев. Более толстые сети раскладывают на земле, и птицы запутываются в них лапками. Есть даже сети, оснащённые маленькими «ракетами». Когда птицы, склёвывая рассыпанный на земле корм, подходят совсем близко, «ракеты» поднимают сеть в воздух, и та, падая, накрывает стаю. А ещё бывают сети, которые поднимаются и захлопываются, как кошелёк. Ловушки для птиц делают в виде широкой и длинной сетчатой воронки, заканчивающейся приёмной камерой. Для приманки в неё насыпают корм. Используют и такой приём: ночью пролётных птиц подманивают особыми фонарями, а затем накрывают сетью.

    Помимо кольцевания существуют и другие приёмы мечения птиц. Например, чаек с белым оперением помечают розовой или красной краской. Стойкая краска долго не сходит, заметна издали и не мешает птице жить.

    В центры кольцевания возвращается в среднем 3—5% колец, но и этого количества достаточно, чтобы получить точную информацию о том, куда и какими маршрутами птицы улетают и возвращаются домой.

    Кто летает дальше всех

    Птицы очень быстры, чрезвычайно выносливы, могут летать на высоте нескольких километров и при этом отлично ориентируются в небе. Среди них есть настоящие рекордсмены.

    Абсолютным чемпионом по дальности миграций считают полярную крачку — белую птицу размером поменьше чайки с чёрной шапочкой и раздвоенным хвостом, за который её иногда называют морской ласточкой.

    Гнездятся крачки на северном побережье Арктики и на свободных ото льда островах. Потомство появляется в начале июня. А к концу короткого полярного лета родительские хлопоты заканчиваются. Птенцы выращены и поставлены «на крыло». Пора отправляться на зимовку. Вот тут крачки и показывают, на что они способны.

    Однажды на побережье Лабрадора окольцевали ещё не умевшего летать птенца, а через 90 дней подросшую молодую крачку поймали на юго-восточном побережье Африки в 14,5 тыс. км от гнезда. Вполне вероятно, это был ещё не конец пути, так как крачки зимуют в антарктических морях. Другую крачку, получившую кольцо в наших арктических широтах, обнаружили у южных берегов Австралии, она пролетела по меньшей мере 22 тыс. км. Одни крачки летят к месту зимовки через Тихий океан, другие выбирают путь вдоль западных берегов Европы и Африки с заходом в Индийский океан.

    С приближением весны крачки устремляются в обратный путь и появляются в родных местах, фактически облетев земной шар. Кто-то из орнитологов сказал, что для такого летуна, как крачка, наша планета даже маловата.

    Другие морские птицы тоже способны преодолевать огромные расстояния. Взять хотя бы странствующего альбатроса. Эта крупная белая птица с огромными, чёрными на концах крыльями размахом до 4 м проводит в воздухе намного больше времени, чем на воде или суше. Альбатрос использует в полёте воздушные потоки, и это позволяет ему «скользить» по воздуху, не махая раскинутыми крыльями, а значит, затрачивать минимум усилий. Добычу он подбирает из воды в полёте. Ни штормовой ветер, ни многометровые волны ему не помеха, величественная птица словно не замечает ненастья. Странствующий альбатрос, мигрируя, может пролететь над океаном 15—20 тыс. км и совершить за год «кругосветку».

    Гнездовой период эти летуны проводят на маленьких островках Южной Атлантики. У альбатросов он необычайно длинный — более 11 месяцев. Когда птенцы становятся «на крыло», странствия родителей продолжаются. Путь альбатросов лежит на восток вдоль сороковых широт Южного полушария, прозванных «ревущими» из-за непрекращающихся штормов. В этих широтах альбатрос совершает облёт вокруг Земли и через два-три года (к следующему гнездованию) оказывается у тех же островков, где когда-то вылупился из яйца.

    Ещё один рекордсмен по миграциям — мор-ской тонкоклювый буревестник. Его родные места — небольшие островки Бассова пролива, разделяющего Австралию и остров Тасмания. Появившегося птенца усиленно выкармливают оба родителя, он быстро набирает вес, обрастает жирком и уже через полтора месяца весит больше взрослой птицы. Кормёжка продолжается три месяца, затем родители прощаются с чадом и улетают по своим маршрутам. Оставшийся без заботы птенец некоторое время голодает, а потом проявляет самостоятельность, начинает понемногу летать, ловить рыбу и наконец первый раз улетает в далёкие края, чтобы потом вернуться обратно.

    Сначала тонкоклювые буревестники направляются к Новой Зеландии, затем поворачивают на север и, минуя острова Океании, оказываются у берегов Японии. Дальше их маршрут лежит вдоль нашего дальневосточного побережья до мыса Дежнёва. Некоторые птицы перелетают Берингов пролив и попадают на остров Врангеля. Однако маршрут на этом не заканчивается. От наших берегов они направляются к Алеутским островам, откуда поворачивают на юго-восток вдоль северо-американского побережья. Достигнув Калифорнии, птицы летят через Тихий океан к восточным берегам Австралии. Далее немного на юг, и вот уже впереди родные островки Бассова пролива и старая нора, которая обветшала за время отсутствия хозяина и требует ремонта. Годовой маршрут через Тихий океан выглядит как гигантская петля длиной 20—25 тыс. км. Можно, видимо, считать, что тонкоклювый буревестник — одно из самых совершенных летающих существ, когда-либо обитавших на Земле.

    Читайте также:  Тихий океан климат течения

    Маршруты морских перелётных птиц гигантской сетью накрывают все океаны, занимающие около 70% поверхности нашей планеты. Но есть птицы, совершающие перелёты в основном над сушей.

    Через страны и континенты

    Среди «сухопутных» летунов тоже есть свои рекордсмены. Одного из них зовут кулик-дутыш. Своё прозвище он получил потому, что самец, участвуя в брачных играх, надувает шею и издаёт глухое дудение. Гнездится кулик-дутыш в арктической тундре Канады, Аляски и Сибири. Его перелётный маршрут — 14—15 тыс. км — проходит над великими равнинами Северной Америки, через Мексику, страны Центральной Америки и заканчивается на юге южноамериканского континента.

    В семействе куликов есть и другие замечательные летуны. Например, бурокрылая ржанка, гнездящаяся в канадской тундре. После старта ржанки летят на юго-восток и скоро оказываются над холодными водами Северной Атлантики, недалеко от Лабрадора, Ньюфаундленда и Новой Шотландии. Ржанок выручает их необыкновенная выносливость, ведь сесть на воду они не могут. Ржанки делают трёхсуточный бросок через океан, преодолевая без посадки за это время почти 4тыс. км. Правда, часть птиц устраивает себе передышку на Багамских и Антильских островах, но большинство в полёте не останавливается, достигая зелёных берегов Венесуэлы или Гвианы.

    Из рекордсменов по миграционным перелётам над сушей стоит упомянуть некоторые виды ласточек, гнездящихся в Северной и Средней Европе и в Скандинавии. Свои маршруты длиной 13 тыс. км они прокладывают через всю Европу и Африку.

    Хорошие летуны лебедь-шипун и лебедь-кликун, гнездящиеся в глухих местах Северной Европы и Азии, улетают на зимовку в Средиземноморье, Иран, Афганистан, Южную и Юго-Восточную Азию, а весной одними из первых появляются в родных местах. Не отстают от них и серые журавли. Эти птицы тщательно готовятся к тяжёлому перелёту, делают пробные полёты, отрабатывают слаженность и ритм движения, подбирают стаи, тренируют молодых птиц. Ритмично взмахивая широкими крыльями, журавли летят клином. Одни направляются в Африку и, следуя вдоль Нила, достигают Судана, другие пересекают Иран и останавливаются на берегах Персидского залива, третьи из Сибири попадают в Индию и Юго-Западный Китай, но во всех случаях они улетают от дома на 7—10 тыс. км.

    К сентябрю отправляются в путь и белые аисты. Их маршруты, преодолеваемые в основном планирующим полётом, пролегают над сушей. Водоёмы аисты пересекают только тогда, когда виден противоположный берег.

    Если аисты гнездятся в Европе западнее Эльбы, то стая летит к Гибралтару. Чтобы форсировать самую узкую, 16-километровую часть Гибралтарского пролива, птицы набирают большую высоту над Испанией и начинают планировать в Африку, используя воздушные течения и восходящие тепловые потоки. Часть птиц остаётся на западе континента, часть преодолевает самую большую пустыню мира — Сахару. Далее, отклонившись к юго-востоку и затем к югу, аисты пересекают полосу экваториальных лесов. Пролетев почти три четверти африканского материка, они финишируют в Южной Африке, оставив позади 12—13 тыс. км.

    Если же аисты гнездятся восточнее Эльбы, то стаи направляются к Босфору, огибают Средиземное море с востока, пролетают над Палестиной, Египтом, вдоль долины Нила и прибывают в Южную Африку, преодолев те же 12—13 тыс. км.

    Стоит сказать о пернатых, которые ставят рекорды высоты полёта. Это, бесспорно, серые гуси, которых видели на высоте 8850 и даже 9100 м над самыми высокими горами планеты — Гималаями. На таких высотах даже тренированным альпинистам нужны кислородные аппараты, а перед восхождением необходима акклиматизация. К гусям это не относится. В полёте они не менее полутора-двух суток могут довольствоваться малым количеством кислорода и не терять работоспособности.

    Выглядит этот невероятный перелёт через Гималаи примерно так. Осенью стаи серых гусей собираются в Южной Сибири, отдыхают и кормятся перед перелётом. В один из дней на рассвете они взлетают, набирают максимальную высоту и направляются к гигантским горам, сияющим ледниками и снежными вершинами. Во главе стаи, идущей клином, летит опытный вожак, знающий все седловины и проходы между горами. Многие часы птицы находятся на 40-градусном морозе. Наконец, пики «восьмитысячников» остаются позади. Ещё два-три часа полёта, и внизу появляются холмы и леса Северной Индии. Вожак выбирает место для отдыха, и смертельно уставшие птицы опускаются на маленький островок в середине уединённого озера.

    Такие рекорды высоты под силу, пожалуй, только гусям и, может быть, ещё клушицам. Большинство же птиц держатся в перелётах на высоте около 1500 м. В ясные ночи они могут подниматься даже до 6 тысяч метров.

    По мнению некоторых учёных, в места гнездования возвращается приблизительно 30% птиц, улетевших на зимовку. Остальные гибнут из-за внезапных изменений погоды, штормов, ветров, заморозков, нехватки сил и других трудностей. Но каждый год осенью инстинкт снимает миллионы птиц с насиженных мест, и они улетают по своим, зачастую невероятно длинным маршрутам, чтобы пережить зиму, вновь вернуться и произвести на свет потомство, которое точь-в-точь повторит путь своих родителей.

    Источник

    Adblock
    detector