Поверхностное натяжение воды, позволяющее водомеркам бегать по поверхности пруда, а каплям дождя удерживаться на оконном стекле, как выяснилось, играет решающую роль в добывании корма некоторыми птицами. Небольшие кулики-плавунчики, плавая по поверхности водоема, вылавливают мелких планктонных ракообразных, которых вместе с каплями воды доставляют ко рту за счет так называемого «капиллярного храповика». Механизм его действия основан на том, что капля воды с добычей слегка зажимается клювом, а затем при «стригущих» движениях клюва (чередовании легких сжатий и раздвиганий) перемещается толчками от кончика клюва к ротовому отверстию. Решающим для работы храповика оказывается разная кривизна поверхности капли на ее переднем крае (ближе к ротовому отверстию) и заднем (ближе к концу клюва).
Автору этих строк в свое время удалось побывать на Командорских островах с целью изучения зоопланктона многочисленных луж и озерков, разбросанных там по тундре. Не раз на этих водоемах приходилось мне видеть плавунчиков — мелких куликов, которые, в отличие от своих сородичей, собирали пищу не по берегам (впрочем, среди густых зарослей травы там особенно не походишь), а непосредственно с поверхности воды. Как бы оправдывая свое русское название, плавунчики действительно всё время плавали, нередко крутясь на одном месте как заводные игрушки. Клюв при этом периодически наполовину погружался в воду и совершал быстрые, «стригущие» (как ножницами) движения.
Из работ американских коллег я знал, что плавунчики питаются зоопланктоном, причем выбирают наиболее крупных представителей, например дафний, что влечет за собой ряд перестроек внутри планктонного сообщества. Однако, откровенно говоря, я совершенно не мог себе представить, как плавунчик своим изящным тонким клювом способен вылавливать из верхних слоев воды дафний и других мелких рачков. Если клюв птицы сравнить с пинцетом, то это всё равно что пытаться схватить в воде дафнию пинцетом. Уверяю вас — абсолютно безнадежное дело! Зоологи, когда им нужно в лаборатории пересадить тех же дафний из одного сосуда в другой, обычно всасывают их стеклянной трубкой, на которую насажена небольшая резиновая груша. Практически так же действуют и мелкие рыбы, хватающие ртом планктонных рачков. Как с этой задачей справляются плавунчики, оставалось неясным. Очевидно только, что, питаясь столь мелкими (относительно размеров своего тела) объектами, плавунчики должны использовать какие-то очень эффективные способы добывания пищи.
Впрочем, уже более десяти лет назад было обнаружено (Obst et al., 1996. Kinematics of phalarope spinning // Nature. V. 384. P. 121), что первый этап добывания пищи плавунчиком — это создание локального водоворота, в центре которого скапливаются планктонные рачки. Кажущееся беспорядочным круговое плавание плавунчиков — это и есть способ закрутить воду и таким образом сконцентрировать своих потенциальных жертв. Затем нужно каким-то образом этих рачков схватить (втянуть) клювом из центра водоворота и доставить к ротовому отверстию. Но как именно?
Ответить на этот непростой вопрос удалось Ману Пракашу (Manu Prakash) из Массачусетского технологического института в США (Center for Bits and Atoms, Massachusetts Institute of Technology) совместно с Давидом Керре (David Quere) из Высшей школы физики и промышленной химии во Франции (Physique et Mecanique des Milieux Heterogenes, Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles) и Джоном Бушем (John W. M. Bush) из Массачусетского Технологического института.
Решающим для поимки плавунчиком добычи и доставки ее к ротовому отверстию оказалось использование поверхностного натяжения воды, а точнее, механизма, известного как капиллярный храповик. Действует этот механизм следующим образом. Капля воды, содержащая добычу, удерживается расходящимися под острым углом верхней и нижней половинками клюва (надклювьем и подклювьем, как говорят орнитологи). При небольшом сжатии клюва капля расплющивается и передвигается своим передним краем вперед — к основанию клюва, а задним — слегка отодвигается назад, к кончику клюва.
При последующем небольшом раскрывании клюва капля растягивается в высоту и при этом ее передний край только слегка отодвигается назад (ближе к кончику клюва), тогда как задний край сильно подтягивается вперед (к ротовому отверстию). Затем клюв слегка сжимается, и процесс повторяется снова — передний край движется вперед, а задний как бы фиксируется, только слегка отодвигаясь назад. Получается, что толчками капля постепенно движется вперед — к ротовому отверстию. Фиксация заднего края капли, не позволяющая двигаться назад, но не препятствующая движению вперед, напоминает принцип действия зубцов храпового механизма. Скорость передвижения капли зависит от смачиваемости поверхности клюва, силы поверхностного натяжения воды и угла приоткрывания и закрывания (неполного, конечно) клюва.
Чтобы детально исследовать этот процесс, авторы обсуждаемой работы изготовили механическую модель клюва — две стальные пластины, расходящиеся под острым углом. В тех случаях, когда в это устройство помещали каплю силиконового масла (silicone oil), характеризующегося очень высоким смачиванием, то при соответствующем угле раскрытия она двигалась от кончика к основанию сама собой, без стригущих движений «клюва». Это явление на самом деле было описано еще в 1712 году британским исследователем Фрэнсисом Хоксби (Francis Hauksbee), который наблюдал, как капля апельсинового масла, зажатая между двумя стеклами, расположенными под острым углом, устремляется к сужению.
Однако если использовать не силиконовое масло, а воду, характеризующуюся гораздо меньшей величиной смачивания, то капля не будет передвигаться сама. Требуются движения по закрыванию и открыванию «клюва», чтобы обеспечить транспортировку капель воды от кончика клюва к ротовому отверстию. При хорошей настройке всего механизма, надлежащем угле раскрытия клюва и качестве поверхности «клюва» вода с помощью такого капилляра очень быстро продвигается в сторону «рта».
Переходя от механической модели к птицам, авторы подчеркивают, что водоемы, где кормятся плавунчики, должны быть надежно защищены от попадания нефтепродуктов и детергентов, поскольку эти вещества радикальным образом нарушают физико-химические характеристики поверхностного натяжения воды, а именно эти характеристики определяют успех работы капиллярного храповика.
Похожие статьи:
