Tornado pod dziobem. Jak flamingi tworzą wiry, by łapać krewetki

Choć flamingi kojarzą się z kontemplacyjnym brodzeniem w płytkiej wodzie i niespiesznym filtrowaniem mułu, to ich techniki żerowania są znacznie bardziej złożone. Zespół badaczy z UC Berkeley i Georgia Tech odkrył, że ptaki te nie tylko filtrują wodę, ale aktywnie tworzą wiry i prądy, które pomagają im zgromadzić i pochwycić pokarm. "Flamingi to drapieżniki. Problem, jaki muszą rozwiązać, to jak skupić rozproszone i ruchliwe ofiary - jak słonaczki - w jednym miejscu. I robią to dzięki hydrodynamice" - mówi prof. Victor Ortega Jiménez, pierwszy autor badania opublikowanego w "PNAS".

Słonaczki, stanowiące podstawę diety flamingów, to maleńkie skorupiaki, które uwielbiają wodę o wysokim zasoleniu. Stada flamingów żywią się nimi, połykając krewetkopodobne stworzenia, które w ogromnych ławicach żyją w płytkich, ciepłych lagunach. Stąd charakterystyczna poza, którą przyjmują żerujące flamingi - głową w dół, z dziobem zanurzonym w wodzie.

Dzięki obserwacjom żywych flamingów chilijskich, modelom 3D ich nóg i dziobów oraz symulacjom komputerowym, badacze pokazali, że to nie jest tylko pasywne "moczenie dzioba", a aktywne polowanie. Ptaki te - przez tzw. stomp dancing (tupanie nogami w wodzie), gwałtowne ruchy szyją oraz charakterystyczne "kłapanie" dziobem - generują system wirów, które ściągają ofiary wprost do ich ust.

Pierwszym krokiem w polowaniu flaminga jest rytmiczne poruszanie stopami - tzw. stomp dancing - które wzburza osad i drobne organizmy z dna. Stopa ptaka działa jak elastyczny parasol: rozwiera się przy ruchu w dół i zamyka w górę, tworząc poziome wiry, które popychają cząstki do przodu. Modele stóp z drukarki 3D wykazały, że ta technika jest znacznie skuteczniejsza w tworzeniu uporządkowanych prądów niż sztywne płetwy.

Kolejny etap to gwałtowne cofnięcie głowy ku górze, które - przy odpowiedniej prędkości (około 40 cm/s) - tworzy pionowe wiry przypominające miniaturowe tornada. Te wiry wynoszą zawiesiny oraz ofiary w stronę powierzchni wody, gdzie trafiają na kolejne narzędzie: "chattering", czyli szybkie otwieranie i zamykanie dolnej części dzioba.

Jak pokazały eksperymenty z mechanicznym dziobem wydrukowanym na drukarce 3d, "kłapanie" przy częstotliwości ok. 12 Hz tworzy kierunkowy strumień wody w górę, który dodatkowo ściąga ofiary w stronę wnętrza dzioba. "Chattering zwiększa skuteczność chwytania słonaczków nawet siedmiokrotnie" - mówi Ortega Jiménez.

Dziob flaminga ma charakterystyczny, zagięty kształt - górna część przypomina płaską płytkę, która w pozycji odwróconej (flamingi żerują głową w dół) ustawia się równolegle do dna. To pozwala na tzw. skimming - technikę, w której ptak sunie dziobem tuż przy powierzchni, tworząc w jego cieniu symetryczne wiry von Kármána. Wiry te nie tylko chwytają, ale także zatrzymują ofiary w tzw. strefie recyrkulacji, dokładnie w miejscu, gdzie trafiają do szczelin filtracyjnych w dziobie.

Modele głowy flaminga w tunelu wodnym oraz symulacje komputerowe pokazały, że takie ustawienie działa jak prawdziwa pułapka hydrodynamiczna - cząstki (oraz ofiary) nie mogą uciec z wiru i są wciągane do wnętrza dzioba. Co więcej, eksperymenty wykazały, że kombinacja ssania (naśladującego pracę języka) i chattering zwiększa efektywność pobierania cząstek - zarówno nieożywionych, jak i żywych - nawet dziewięciokrotnie.

"Flamingi tworzą wiry, które działają jak sieci pająków - to aktywne pułapki, w które łapią swoją zdobycz" - mówi Ortega Jiménez. Taka strategia przeczy dotychczasowemu poglądowi, że ptaki te są jedynie biernymi filtratorami. W rzeczywistości to doskonali inżynierowie hydrotechniczni, którzy wykorzystują prawa fizyki i ruch do manipulowania wodą i zdobywania pożywienia w trudnym środowisku - często zasolonym i ubogim w tlen.

Warto podkreślić, że flamingi przystosowane są do różnych głębokości wody i warunków hydrologicznych. Potrafią zmieniać strategię: w zależności od tego, czy żerują przy dnie czy blisko powierzchni. Używają różnych kombinacji technik - od aktywnego rycia dna, przez skimming, po tworzenie wirów. W badaniach opisano, jak już kilkusekundowe rytmiczne poruszanie stopami może uruchomić serię zjawisk fizycznych, prowadzących do skoncentrowania pokarmu w zasięgu dzioba.

Okazuje się, że możemy wiele się nauczyć od pozornie niezbyt ruchliwych, różowych ptaków. Mechanizmy stosowane przez flamingi mogą mieć szerokie zastosowanie inżynieryjne - od projektowania robotów poruszających się po podłożu grząskim lub podwodnym, po systemy samooczyszczających się filtrów czy urządzeń do zbierania mikroplastików. Ich techniki mogą także zainspirować rozwój technologii membranowych wykorzystywanych w oczyszczalniach wody lub instalacjach przemysłowych.

Konstrukcja dzioba - przypominająca rurę z filtrującymi lamelami - w połączeniu z ruchem języka i wibracjami dolnej szczęki tworzy bardzo wydajny system zbierania nawet najmniejszych cząstek i mikroorganizmów. Jak pokazały badania, nawet jaja słonaczków - unoszące się na powierzchni słonych jezior - mogą być przechwytywane przez wiry wytwarzane przez głowę flaminga podczas skimmingu. To może pomóc zaprojektować np. urządzenia do wychwytywania mikroplastików z wody.

Mimo zaawansowania tych badań, pozostają pytania: jaką rolę odgrywa język w tworzeniu podciśnienia? Czy różne gatunki flamingów stosują identyczne strategie? Jak młode ptaki - z prostymi dziobami, które dopiero z wiekiem zyskują charakterystyczny kształt - uczą się tych technik i czy są one wrodzone, czy też przekazywane społecznie?

Kolejnym krokiem mogą być badania nad interakcjami grupowymi: czy flamingi żerujące wspólnie potrafią zwiększyć skuteczność łowów przez wspólne wzbudzanie osadów i tworzenie zbiorowych wirów? I czy to oznacza rodzaj kooperacji hydrodynamicznej między osobnikami?

Natura, jak się okazuje, nie tylko tworzy piękno w postaci różowego ptaka stojącego na jednej nodze. Tworzy też zaawansowane systemy fizyczne - subtelne, złożone i niezwykle skuteczne.