Птицы могут перелететь 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 ].

Читайте также: Океаны поздно или рано

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].

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.

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

Малый веретенник пролетел рекордные 12200 километров без единой остановки

Малый веретенник (Limosa lapponica)

Ed Dunens / Flickr

Самец малого веретенника, известный ученым как 4BBRW, установил новый рекорд безостановочного перелета для птиц. Он преодолел около 12200 километров над Тихим океаном во время миграции с Аляски в Новую Зеландию. Как сообщает The Guardian, путешествие заняло у птицы 11 дней. Предыдущий рекорд принадлежал другому представителю этого же вида — самке E7, которая в 2007 году пролетела без единой остановки 11680 километров.

С приходом осени миллионы птиц из Северного полушария отправляются на юг. Чтобы добраться до мест зимовки, некоторым из них приходится преодолевать огромные расстояния. Например, малые веретенники (Limosa lapponica), кулики из семейства бекасовых, мигрируют из мест размножения в тундрах Евразии и Северной Америки к побережьям в умеренном и тропическом поясе. Самые далекие путешествия совершают представители подвида L. l. baueri, которые гнездятся на Аляске, а зиму проводят в Австралии и Новой Зеландии, более чем в десяти тысячах километров от мест размножения.

На протяжении большей части своего путешествия аляскинские малые веретенники не делают остановок. В 2007 году самка этого подвида, известная как E7, даже поставила рекорд беспосадочного перелета для птиц. Во время осенней миграции она преодолела 11680 километров над Тихим океаном, ни разу не опустившись на сушу или на воду.

Однако 13 лет спустя другому малому веретеннику с Аляски удалось побить этот рекорд. Самец, известный орнитологам как 4BBRW (это значит, что исследователи пометили его лапы двумя синими, красным и белым цветными кольцами, которые облегчают идентификацию отдельных птиц) вылетел с Западной Аляски 16 сентября, а 11 дней спустя уже был в Новой Зеландии, в одной из бухт в окрестностях Окленда. Сначала кулик преодолел цепочку Алеутских островов, после чего двигался над Тихим океаном на юго-запад и свернул к юго-востоку в районе Новой Каледонии. Как именно 4BBRW и другим веретенникам удается находить дорогу в открытом океане, пока неизвестно.

Данные со спутникового передатчика, которым ученые снабдили 4BBRW, показали, что птица пролетела 12854 километра без единой остановки. С учетом погрешностей реальное значение составляет около 12200 километров. При этом скорость полета кулика могла достигать 90 километров в час.

По словам орнитологов, малые веретенники отлично приспособлены для таких эпических путешествий. Перед началом миграции они накапливают значительные жировые запасы, которые позволяют обходиться без пищи на протяжении большей части пути. Дополнительным подспорьем служат аэродинамическая форма тела и длинные заостренные крылья.

4BBRW и его сородичи из аляскинской популяции проведут на зимовке всю осень и зиму, а в марте вновь отправятся к местам размножения. В этот раз они будут двигаться по несколько иному маршруту: перед возвращением на родину они потратят около месяца, пополняя запасы энергии на побережье Желтого моря.

Во время миграции малым веретенникам приходится тратить очень много энергии. Однако некоторые виды птиц научились преодолевать большие расстояния почти без усилий, пользуясь восходящими тепловыми потоками. Например, один андский кондор из Аргентины смог пролететь 172 километра без единого взмаха крыльями.

Источник

Почему большинство видов перелётных птиц не могут путешествовать через океан?

Крылья позволяют птицам преодолевать большие расстояния и добираться до тех мест, куда не в силах забраться обычный зверь. Одной из главных особенностей, о которой знают даже маленькие дети, является их перелет в теплые страны.

Во время пути птицы преодолевают тысячи километров, причем умышленно растягивают свой путь, добираясь до пункта назначения не через океаны, по кратчайшему пути, а вдоль берегов. Из-за этого складывается ощущение, что они не могут путешествовать через океан. С чем это связано?

Почему птицы улетают в теплые страны?

С наступлением зимних холодов можно заметить, как пролетают большие стаи птиц. Они отправляются в далекий путь, чтобы в итоге оказаться в теплых местах, где они и проведут зиму. Почему же птицы улетают?

Большинство сразу скажет, что они не в силах пережить холод, но будут неправы. Птицы прекрасно ощущают себя на морозе. Температура их тела составляет в среднем 41 градус, и это значит, что они не впадают в спячку, как хладнокровные. Более того, под перьями у них отрастает пух, хорошо сохраняющий тепло и препятствующий замерзанию кожи.

Главная причина, почему птицы улетают на юг – резкое уменьшение пищи с наступлением холодов. Большинство видов данного класса животных питаются насекомыми, и последние как раз и не могут проявлять активность на холоде. Большинство жучков и личинок с наступлением морозов либо погибают, либо впадают в спячку. Чувствуя голод и нехватку пропитания, птицы на инстинктивном уровне сбиваются в стаи и отправляются в другое, более теплое место. Там они пережидают морозы и питаются насекомыми, которые прекрасно чувствуют себя в теплом климате и становятся легкой добычей.

Все ли птицы улетают на юг?

Далеко не все пернатые с наступлением холодов перебираются в теплые края. Если даже в холода конкретный вид может прокормить себя на этой территории, он не отправится в путешествие. Классическим примером является дятел, который круглый год обитает в лесу и питается личинками, прячущимися за древесной корой.

Классификация птиц

Существует три классификации птиц.

Перелетные

К ним относятся виды, которые с наступлением холодов отправляются в теплые края. Как правило, они питаются насекомыми (ну или животными обитающими в воде, вода замерзает). В России их представителями являются дрозд, зяблик, ласточка, жаворонок.

Кочующие

Такие виды пернатых не улетают в теплые края, но постоянно перемещаются, меняя место проживания с целью поиска пищи. Что интересно, такие птицы даже могут свить гнездо, которым будут пользоваться всего лишь пару недель. Например, поселившись на дереве с ягодами рябины, птица живет на нем до тех пор, пока не съест все плоды, затем отправляется на поиски другого источника пищи, разыскивая его посреди заснеженных территорий. Представители: снегирь, клест, чиж.

Зимующие

Эти птицы не улетают с наступлением холодов, питаются всем, что могут найти на небольшой территории. Представители: дятел, синица, хлест, свиристель.

Таким образом, даже зимой можно встретить некоторых птиц в городах и на природе. Это означает, что им вполне хватает пищи.

Почему перелетные птицы не могут путешествовать через океан?

На самом деле, некоторые виды могут. К таким можно отнести малого веретенника, который с наступлением холодов улетает из Аляски и преодолевает Тихий океан, добираясь до Новой Зеландии.

Маршруты миграции птиц

Но большинство видов птиц, отправляющихся на юг, действительно не могут перелететь океан. С этим связано две причины. Во-первых, многим просто не хватает выносливости, особенно это относится к молодым особям, вылупившимся незадолго до наступления холодов. Во-вторых, любому живому существу будет тяжело ориентироваться в пространстве, когда вокруг нет ничего, кроме воды.

Из-за этого птицы вынуждены лететь преимущественно по земному маршруту. Так им проще ориентироваться, да и есть возможность в любой момент приземлиться для отдыха.

Перелетные птицы не могут путешествовать через океан из-за недостатка выносливости и невозможности ориентироваться посреди бескрайних вод. Пернатые строят маршрут таким образом, чтобы они могли в любой момент приземлиться для отдыха, а также понять свое местоположение по земному ландшафту и выделяющимся объектам.

Интересное видео о миграции птиц

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник