С какой скоростью летают птицы?

По этому поводу было высказано множество самых разных мнений. Скоростные способности птиц точно не из­вестны и сложны для исследования. На скорость полета оказывают влияние такие факторы, как ве­тер, наклон траектории и многое другое.

Скоростные возможности птиц, конечно, весьма различны. Фазаны и тетерева имеют корот­кие крылья, приспособленные к маневрированию в подлеске; им приходится с большой частотой ма­хать крыльями и развивать значительную скорость, чтобы держаться в воздухе. То же самое можно сказать об утках, которым нет необходимости иметь большие крылья, так как они легко садятся на воду. Цапли, с другой стороны, должны приземляться медленно, чтобы не повредить свои длинные тонкие ноги, которые нужны им при поисках пищи в воде. Их большие нескладные крылья очень удобны для медленного приземления, но при поле­те создают такое большое трение и лобовое сопро­тивление, что цапли не могут летать достаточно быстро.

Скорость 96 км/ч доволь­но велика для птицы, и сокол-сапсан, самый быст­рый из известных видов, способен развивать ско­рость не более 280-288 км/ч. Конечно, эти скорости намного ниже скоростей современных самолетов, но некоторые из них приближаются к скоростям первых аэропланов. Интересно наблюдать, как сближаются конструкции, созданные природой, с лучшими образцами современной техники.

Скорость полета береговой, городской и деревенской ласточки¹ редко превышает 50 км/ч, более высокие скорости достигаются при скольжении с потерей высоты, с помощью ветра или при ускорении под воздействием внешних факторов. Скорость полета береговой и городской ласточек достоверно выше скорости полета деревенской ласточки, а скорость полета береговой ласточки несколько выше скорости полета городской. Сравнение индексов органов полета этих трех видов показало, что они достоверно различаются по индексу ширины крыла и слабо различаются по индексу остроты крыла. Деревенская ласточка имеет достоверно большее крылышко, что косвенно указывает на худшие ее скоростные качества, поскольку у быстро летающих птиц крылышко относительно небольшое. У этой же ласточки и самый длинный хвост, что также указывает меньшую скорость ее полета, но большую по сравнению с другими ласточками маневренность. Наиболее короткий хвост, как и следовало ожидать, оказался у береговой ласточки, так как укороченный хвост характерен для птиц с относительно большей скоростью полета.

Наилучший морфологический показатель скоростных возможностей ласточек — относительная длина хвоста. Более быстро летающие птицы имеют относительно более короткий хвост. Судя по морфологическим показателям, наиболее быстрым полетом обладают нитехвостая и скальная ласточки, наименее быстрым деревенская и рыжепоясничная, однако они более маневренны; береговая и городская ласточки по скорости полета занимают промежуточное положение.

Энергетика полета птиц

Изучение метаболизма чаек и волнистых попугайчиков проводилось в аэродинамической трубе во время полета по горизонтали, с подъемом и со спуском Исследование показало, насколько экономно птицы могут расходовать «топливо».

Даже самые мелкие птицы не только часами находятся в воздухе, но и пролетают без остановки сотни и даже тысячи миль со скоростью, доступной лишь самым быстрым из наземных животных. Опре­делялся расход энергии у волнистых попугайчиков и смеющихся чаек, летящих с разными скоростями в аэродинамической трубе. Прямые данные полу­чены только для этих птиц, относящихся к тем не­многим видам, о которых подобная информация вообще имеется.

Скорость и длительность, делающие полет птиц столь интересным, в то же время затрудняют изме­рение энергетических затрат. Для определения рас­хода энергии при обычном полете и зависании при­менялись самые разные методы, в том числе аэродинамические расчеты, измерения потери веса во время полета, анализ выведения меченых ве­ществ, исследование потребления кислорода. По­следний метод точнее остальных, которые опи­раются на не очень достоверные предположения. Все эти приемы имеют один общий недостаток – они не позволяют изменять скорость, длительность и направление полета в эксперименте, а значит, и соотносить эти факторы с параметрами метабо­лических процессов.

Именно в этом и состоит преимущество исполь­зования аэродинамической трубы. В начале экспе­римента попугайчика или чайку помещают в испы­тательную камеру трубы таким образом, чтобы птица летела навстречу воздушному потоку. Так, можно заставить птицу лететь относительно движущегося воздуха с такой же скоростью, как в естественных условиях, и при этом она будет не­подвижной по отношению к экспериментатору. Экспериментатор мо­жет заставить птицу лететь быстрее или медленнее, варьируя скорость воздушного потока. Он может также устанавливать различную длительность поле­та и менять траекторию с горизонтальной на вос­ходящую или нисходящую.

Для имитации восходящей траектории трубу на­клоняют так, чтобы ее передний конец приподнялся. Птица летела в прозрачной маске, - выдыхаемый воздух собирался и анализировался (определялась скорость высвобождения энергии при расщеплении жиров и углеводов); измерялось количество потребляемого кислорода и выдыхаемой углекислоты. Согласно расчетам, 70 % энергии для полета дает расщепление жиров.

Затраты энергии на полет зависят от скорости полета и угла подъема. Про полете по горизонтали для волнистого попугайчика оптимальной была скорость 35 км/ч – затраты энергии при этом составляли 105 кал/г-час; при меньшей и большей скоростях – затраты энергии возрастали. При полете с подъемом затраты энергии возрастают и при полете со снижением – падают при увеличении скорости с 19 до 35 км/ч. Для чаек диапазон скоростей наиболее экономного полета 30-44,5 км/ч. при восходящем потоке чайки летели в трубе не более нескольких минут. Наблюдениями в природе эти данные были подтверждены – показатели скорости были близки к экспериментальным, а набор высоты для чаек более характерен именно с использованием восходящих потоков, а не машущих движений.

Данные исследований в аэродинамической трубе наводят на мысль о том, что птицы в естественных условиях могут экономить энергию, выбирая энергетически оптимальный маршрут. При оптимальных скоростях волнистый попугайчик расходует 1,1 % массы своего тела, сжигая жир, а чайки – до 0,55 %. Поскольку некоторые птицы способны накапливать жир в количестве до половины массы тела, то можно предположить, что этого хватает на десятки часов перелета. При крейсерской скорости 35-42 км/ч волнистый попугайчик тратит 0,05 % массы тела на 1,6 км пути. Оптимальная скорость при полете на дальность для этого вида – 41, 5 км/ч, включая подьем и снижение.

Эти данные подтверждают сведения о птицах, которые пролетают более 3000 км, не питаясь в пути (бурокрылая ржанка).

Эффективность полета птиц – отношение между затратами энергии и совершаемой работой. Т.е., - какая часть расходуемой энергии идет на совершение полезной работы ?

В отличие от обычного показателя КПД – для птиц расчет эффективности логичнее будет соотнести изменение мощности на выходе при отклонении вниз или вверх от горизонтальной траектории и соответствующими изменениями затрат энергии (мощности на входе).

Для волнистых попугайчиков характерен высокий КПД на минимальной скорости при наборе высоты (более 50%). При увеличении скорости он падает до 15-18%. Высокий КПД при увеличении тяги на небольшой скорости вполне соответствует биологии попугайчиков, собирающих корм на земле и поднимающихся в воздух с большой скоростью на большую высоту. Благодаря высокой эффективности использования энергии на малых скоростях птица может подняться в воздух и достичь нужной скорости с минимальными затратами энергии.

Изучение КПД попугайчиков наводит на мысль, что полет некоторых дятлов и вьюрков с характерными частыми спусками и подъемами возможно, служит средством экономии энергии, - если КПД выше для подъема, чем для спуска, птица может экономить энергию, летая волнообразным полетом.

Удельные затраты энергии (перенос 1 г массы тела на 1 км) для летающих и бегающих животных неравнозначно, - летающие животные расходуют энергию более экономно. Наземные четвероногие равной массы затрачивают энергии в 10-15 раз больше.

Полет голубя более экономичен, чем полет легкого самолета, а полет казарки по удельным затратам энергии менее емок, чем у реактивного транспортного самолета.

МИГРАЦИИ ПТИЦ

Птицы совершали перелеты над сушей и морем задолго до того, как на Земле появились люди. В течение миллионов лет в процессе миграций у многих видов птиц биологические и физиологиче­ские процессы оказались в совершенстве сбалан­сированными с экологическими условиями среды в разных географических районах.

Чем больше мы узнаем о перелетах птиц, тем больше возникает вопросов, подчас невероятно сложных. Как птицы ориентируются в пути днем и ночью, пролетая тысячи километров? Как объ­яснить их фантастически точную привязанность к определенным местам гнездования после переле­тов на 8—10 тысяч километров?

Как находят птицы не только прошлогодние местообитания в северных широтах, но и тради­ционные места зимовок в тропиках? Как могут птенцы самостоятельно преодолевать тысячи ки­лометров, чтобы провести зиму в определенных для данного вида тропических районах, и возвра­щаться следующей весной именно туда, где они появились на свет?

Что заставляет перелетных птиц покидать неко­торые районы зимовки у экватора, где нет сезон­ных климатических контрастов и много пищи, именно в то время, когда места гнездования за полярным кругом еще покрыты снегом и льдом, и чем объяснить то, что они прилетают на север как раз тогда, когда там наступает наиболее благоприятная пора для существования данного вида? Какие факторы — внешние или внутрен­ние либо и те и другие, вместе взятые, — опреде­ляют сроки перелетов птиц?

Мы перечислили лишь немногие загадки миграций птиц. Однако самая главная из них: как и почему возникли перелеты? Пока на этот счет имеются только гипотезы. Истина своими корнями уходит в далекое прошлое, и, может быть, ее никогда не удастся выяснить до конца.

Миграции птиц не ограничены определенными частями нашей планеты. Они происходят всюду, где обитают пернатые. Надо, впрочем, сказать, что в мире животных мигрируют не только пти­цы. Среди млекопитающих, пресмыкающихся, земноводных, рыб, насекомых, ракообразных и других групп организмов есть виды, которые регулярно или на разных стадиях развития совер­шают миграции. Однако эти группы животных, во-первых, не всегда возвращаются в прежние места, а, во-вторых, по своим масштабам и регулярной сезонной повторяемости эти миграции, как правило, не идут ни в какое сравнение с перелетами птиц.

О перелетах птиц в преданиях и поверьях

Люди с древнейших времен обращали внимание на регулярное появление и исчезновение перелет­ных птиц. Во всяком случае, такие сведения дошли до нас с античной эпохи, но, по-видимому, перелеты птиц отмечались и первобытными людьми, которые на протяжении тысячелетий были гораздо теснее связаны с природой, чем народы Средиземноморья в античное время.

Первые упоминания о сезонных миграциях птиц можно встретить в старинной литературе, например в Ветхом завете, и у греческих и рим­ских авторов — Гомера, Анакреона, Аристофа­на, Аристотеля, Плиния и др. Во многих произве­дениях античных историков сообщается, что вне­запное появление птиц рассматривалось как при­знак больших событий. Нередко перелетных птиц принимали за посланцев богов и считали, что они могли оказывать влияние на решение важных политических и военных проблем, а тем самым и на судьбы людей.

Аристотель был первым ученым, который под­робно изучил перелетных птиц. В своей «Исто­рии животных» он подразделил их на три груп­пы: 1) птицы, мигрирующие в другие широты, например журавли и пеликаны; 2) птицы, совер­шающие перелеты в вертикальном направлении, т. е. те, которые «зимой и в холодную погоду» спускаются с гор на равнины, а летом, наоборот, возвращаются в горы; 3) птицы, которые в холодную погоду впадают в спячку там же, где они обитают. Аристотель полагал, что к послед­ней группе относятся многие птицы, и в качестве примеров приводил красного коршуна, аиста, горлицу, ласточку, жаворонка и дрозда.

Устойчивости представления о зимовке некото­рых птиц на дне моря, вероятно, способствовали наблюдения за поведением деревенской ласточки. Перед отлетом эти птицы имеют обыкновение скапливаться в прибрежных зарослях тростника. Там они обычно ночевали, а на следующий день отправлялись в дальние края и прилетали вновь лишь весной. Деревен­ские ласточки действительно могут впасть в состояние оцепенения. К тому же при нехватке пищи какая-либо ласточка из позднего выводка в поиске водных насекомых могла нырнуть в воду, а затем попасть в сеть к рыбаку, что могло поро­дить легенду о зимовке этих птиц на морском дне. Да еще очевидец свидетельствовал, что ласточка была выловлена из сети, а затем ожила. Однако после обследования такой добычи нередко ока­зывалось, что это не ласточка, а оляпка.

Господствовавшее в античную и средневеко­вую эпохи мнение о том, что ласточки впадают в спячку в холодное время года, оказалось живу­чим. Интересно напомнить, что в самые послед­ние десятилетия установлено: ласточки, стрижи, козодои, колибри и ряд других птиц при внезап­ном похолодании действительно могут впасть в полубессознательное состояние на непродолжи­тельное время, при этом температура их тела понижается и функции организма затормажива­ются. У североамериканского спящего козодоя (Phalaenoptilis nuttallii) зимняя спячка может про­должаться до трех месяцев, но, конечно, не в воде.

Миграции журавлей отмечались и Аристотелем и Плинием Старшим. Это свидетельствует о том, что в античное время птицы данного вида регу­лярно совершали массовые перелеты над Ита­лией и Грецией. В настоящее время над Грецией они не пролетают. Возможно, распространение и плотность популяций журавлей в античную эпоху были иные, чем теперь, но не исключается и то, что призывные крики журавлей и их перелеты стаями и тогда обращали на себя большее внима­ние по сравнению с миграциями птиц других видов.

В конце XV в. впервые было опровергнуто мнение Аристотеля о том, что аисты впадают в зимнюю спячку, а в 1517 г. П. Белой по материалам поездки в Сре­диземноморье написал и опубликовал орнитоло­гическую работу, в которой доказывалось, что красные коршуны, горлицы, перепела и ласточки относятся к перелетным птицам.

Первые сведения о перелетных птицах Нового Света дал Овиедо в 1526—1535 гг. Он описал их регулярную массовую миграцию над Кубой и Панамой.

Миграция птиц , как предмет научного исследования

Хотя люди тысячелетиями наблюдали и стреми­лись познать миграции птиц, научный подход к этому явлению начался относительно недавно. В 1757 г. Линней опубликовал труд о миграциях птиц, в котором рекомендовал организовать постоянные пункты наблюдений. Систематиче­ские исследования начались с середины XIX в. Методика исследований все более совершенствова­лась, но большие успехи в изучении перелетных птиц были достигнуты лишь в начале нынешнего столетия благодаря распространению кольцевания. Впоследствии стали применяться и другие технические нововведения, например радиолокаторы.