Очень быстрый обмен веществ
1) Двойное дыхание
у птиц – это хитро. Попытаемся разобраться по схеме:
Легкие у птиц губчатые, они не могут расширяться-сжиматься, как наши. Эту работу (расширяться при вдохе и сжиматься при выдохе) у птиц выполняют воздушные мешки
. При вдохе
(синие стрелки) воздушные мешки расширяются, и туда заходит воздух. В мешки №2 заходит воздух, прошедший через легкие (насыщенный углекислым газом, «использованный»). В мешках №1 запасается чистый воздух. При выдохе
(красные стрелки) мешки сжимаются. Использованный воздух из мешков №2 выдыхается сразу, а чистый воздух из мешков №1, прежде чем выйти наружу, проходит через легкие. Таким образом, и при вдохе, и при выдохе
через легкие птицы проходит свежий воздух. Именно поэтому птичье дыхание называется «двойным». Кстати, обратите внимание: воздух через легкие птиц движется все время в одном и том же направлении, что облегчает организацию противотока. За счет двойного дыхания и противотока (получается «четверное дыхание») птицы получают гораздо
больше кислорода, чем мы.
2) Для запасания кислорода летательные
мышцы содержат много миоглобина
.
3) Кровеносная система
не отстает от дыхательной: в ней очень высокое давление и частота сердечных сокращений. (Среднее давление у птиц 133 мм рт. ст., а у млекопитающих – всего лишь 97 мм рт. ст. Зато пульс у полукилограммового млекопитающего будет около 250 раз в минуту, а у аналогичной птицы – всего лишь 180. Зато масса сердца птицы составляет в среднем 0,8% от массы тела, а у млекопитающего – всего лишь 0,6%. Короче, кровеносные системы птиц и зверей примерно равны; птицы выигрывают за счет того, что их кровь содержит гораздо больше кислорода, см. п. 1.)
4) За счет отлично развитых кровеносной и дыхательной систем у птиц очень быстрый обмен веществ и высокая температура тела (у млекопитающих от 36 до 39 °С, а у птиц – от 40 до 42 °С). При высокой температуре быстрее идут все процессы жизнедеятельности, в том числе быстрее происходит сокращение мышц
. Это позволяет птицам совершать большую работу за единицу времени. Для нелюбителей физики: работа, поделенная на время, называется мощность. Птицы более мощные
, поэтому они могут летать.
5) Для получения большого количества энергии птицы едят намного больше
, чем млекопитающие с такой же массой тела (на фоне птиц даже бурозубка, которой приходится питаться 80 раз в день, после еды – спать 10 минут, затем снова есть – не выглядит такой уж страдалицей). Чтобы хоть немного сэкономить, некоторые птицы (например, колибри), во время сна уменьшают температуру тела (гетеротермия
).
2. Аэродинамика
6) Обтекаемая форма тела.
В частности, крупные мышцы, двигающие конечности, расположены на теле, а к конечностям идут сухожилия (поэтому птички такие тонконожки).
7) Пережевывание пищи происходит не в голове, а в желудке (с помощью камней). Облегчение тела получается вряд ли, но тяжелые жевательные приспособления хотя бы расположены в центре тела (центровка
самолета).
3. Облегчение тела
8) Перья
, образующие летательную поверхность крыльев, мертвые (аналоги наших волос). Им не нужны кровеносные сосуды, приносящие питание и кислород, поэтому перья очень легкие.
9) Легкий скелет
наполнен воздухом (в костях находятся воздушные мешки из п. 1). (В связи с этим у птиц нет красного костного мозга и эритроцитам приходится размножаться самим – для этого у них есть ядро.)
10) Уменьшено количество костей
, особенно в крыльях и ногах.
11) Один яичник.
12) Нет слюнных желез.
13) Нет мочевого пузыря
(это связано скорее с выделяемым продуктом обмена – мочевой кислотой, которая не ядовита, поэтому её не надо разбавлять).
4. Другие особенности скелета
14) Киль
для прикрепления мощных летательных мышц (опускающих крыло).
15) Передние конечности превратились в крылья
(что, не ожидали?), поэтому приходится ходить на двух ногах. Чтобы доставать до земли, большие птицы имеют длинную гибкую шею.
16) Поясничные позвонки
для создания хорошей опоры срослись
между собой, с крестцовыми и хвостовыми позвонками, а также с подвздошными костями.
5. Нервная система и органы чувств
17) Увеличен мозжечок
для лучшей координации движений.
18) На высоте бесполезны обоняние и слух, поэтому они у птиц развиты так себе. Зато у них лучшее на земле
зрение
Плавание.
Благодаря оперению и большим воздушным мешкам удельный вес всех птиц меньше единицы. Поэтому любая птица в воде не тонет и при необходимости плывет. Могут присаживаться на воду дрозды и голуби, довольно часто плавают пастушки и многие кулики, иногда садятся на воду и плавают цапли и т.д. Но у птиц, постоянно связанных с водой (их более восьмисот видов), развиваются приспособления, облегчающие плавание, а у многих видов – и ныряние.
Тело плавающих птиц обычно несколько сплюснуто в спинно-брюшном направлении, что увеличивает устойчивость на воде. Более густое и плотное, чем у наземных птиц, оперение (особенно на нижней стороне тела) успешно противостоит намоканию. Плотное, с хорошо развитым пухом оперение и сильное развитие подкожного жирового слоя, свойственные большинству плавающих и ныряющих птиц, предотвращают охлаждение тела в холодной воде. Направленные вперед три пальца лапы соединены хорошо развитой плавательной перепонкой (пингвины, гагары, трубконосые, гуси и утки, чайки и чистиковые); у пеликанообразных (веслоногих) плавательная перепонка соединяет все четыре пальца. У небольшого числа видов (поганки, лысухи, кулики-плавунчики) вместо отсутствующей общей плавательной перепонки развивается плотная ороговевающая кожистая оторочка каждого пальца. Все это увеличивает общую поверхность лапы и тем самым повышает силу толчка при гребле. У плавающих и особенно у ныряющих птиц цевка более или менее уплощается с боков (особенно плоская у поганок), что уменьшает сопротивление воды при занесении конечности вперед для гребка. Опорой туловища плывущей птицы служит вода; ноги отводятся несколько назад, голень занимает почти горизонтальное положение, основные движения осуществляются в интертарзальном суставе (рис.
). При движении лапы назад пальцы растопыриваются и производят толчок; когда дистальная часть ноги (цевка и пальцы) заносится вперед для следующего гребка, пальцы складываются, что резко уменьшает сопротивление воды (рис.
). При медленном плавании, ноги двигаются попеременно, при быстром плавании хороших пловцов ноги двигаются обычно одновременно. Повороты осуществляют либо более сильным гребком противоположной лапы, либо тормозящим движением ноги, с той стороны, куда птица поворачивает. У пингвинов при плавании энергично работают крылья-ласты, а вытянутые назад лапы выполняют лишь функцию руля.
Ныряние
Низкий удельный вес птиц, облегчая плавание, сильно затрудняет ныряние. Довольно много птиц при ловле добычи способны нырять с пикирования: птица летает над водой и, заметив у поверхности добычу, полускладывает крылья и резко пикирует, погружаясь в воду на небольшую глубину за счет инерции (1–2 собственных длины). К такому нырянию прибегают птицы, которые могут плавать – трубконосые, многие веслоногие (фрегаты, фаэтоны, олуши, американский бурый пеликан, чайки, крачки, поморники); но так же ныряют и птицы, обычно не садящиеся на воду и не имеющие внешних признаков водных птиц – скопа, орланы, рыбные филины, многие – зимородки. Специальные приспособления к такому нырянию выражены слабо. По-настоящему ныряет, т.е. погружается на большую глубину и активно передвигается в толще воды, преследуя добычу или спасаясь от опасности, относительно небольшое число видов хорошо плавающих птиц. Приспособления к нырянию у них выражены отчетливее. Все ныряющие виды имеют плотное оперение и хорошо развитый слой подкожной жировой клетчатки. Уменьшается пневматичность скелета. Удельный вес выше 0,7, а в момент ныряния, видимо, приближается к единице благодаря прижиманию оперения и сжиманию воздуха в воздушных мешках подвижной грудиной.
Таз обычно заметно сужен, а тазобедренный сустав несколько сдвинут назад, поэтому при движении по суше тело принимает более или менее вертикальное положение (особенно у пингвинов и чистиковых), или способность двигаться по суше почти утрачивается (гагары, поганки). Пальцы лапы соединены хорошо развитой плавательной перепонкой или каждый палец окружен плотной кожистой оторочкой (поганки, лысухи). Крылья, особенно их дистальный отдел, укорочены; полет довольно быстрый, но не маневренный, прямолинейный. В крови и мышцах по сравнению с неныряющими видами увеличивается содержание гемоглобина и возрастает количество эритроцитов. В глазах появляются приспособления, позволяющие видеть в воде при низкой освещенности (увеличивается толщина склеры и роговицы, возрастает степень аккомодации и т.д.). Необходимость защиты среднего уха при нырянии сопровождается ухудшением слуха. Речные утки, гуси, лебеди при кормежке погружают в воду голову, шею и среднюю часть туловища и сохраняют при этом равновесие гребными движениями лап (напуганные и раненые речные утки ныряют). При настоящем нырянии погружение в толщу воды требует больших усилий: плавающая птица погружается в воду резким рывком головы и корпуса вниз и одновременными быстрыми и мощными толчками обеих лап, направленными назад и вбок; часть нырковых уток и чистиковые птицы в момент заныривания одновременно с толчками лап взмахивают полураскрытыми крыльями (рис.
). У нырнувших бакланов и змеешеек лапы двигаются под корпусом, их толчок направлен прямо назад, а большой и жесткий хвост служит рулем глубины. Поганки, гагары, лысухи, нырковые утки направляют толчок лап назад, в стороны и вверх (рис.
). Детали движения лап и степень вращения лапы и других отделов конечностей варьирует в разных группах; особенно сложны движения лап поганок, напоминающие движение судового винта (Курочкин, 1971). При погружении лапы заносятся выше центра тяжести, при выныривании толчок направлен назад, вбок и несколько вниз.
Многие нырковые утки при движении в толще воды делают взмахи полураскрытыми крыльями; иногда это, видимо, делают и бакланы, гагары и поганки. Но роль основного движителя у них всегда выполняют задние конечности. У чистиковых, ныряющих буревестников и пингвинов роль основного движителя выполняют полураскрытые крылья, совершающие равномерные взмахи; направленные назад задние конечности с растопыренными пальцами несут лишь функцию рулей. При нырянии на мелководье чистики иногда гребут только задними конечностями.
Лысухи обычно ныряют на глубину нескольких метров. Некоторые нырковые утки (гаги, морянки и др.), кайры, гагары, поганки, пингвины ныряют иногда на глубину 50–60 м и крайне редко – несколько глубже. Зарегистрировано погружение императорского пингвина на глубину 265 м – видимо, это предел для ныряющих птиц. Продолжительность погружения чаще близка к 1–1,5 мин, но преследуемые птицы могут находиться в толще воды даже до 10–15 мин (пингвины, гагары). В толще воды скорость передвижения у лысух и большинства уток составляет 0,6–1 м/с, крохалей, поганок, пингвинов – до 2,5–3 м/с (по некоторым данным, пингвины способны временами развивать скорость до 8–10 м/с).
Из воробьиных птиц ныряют оляпки. Они сохраняют типичный облик воробьиных птиц и из приспособлений к нырянию имеют лишь несколько более плотное оперение, сильное развитие пуха на аптериях, укорочение крыльев и особенно хвоста. Способ ныряния оляпок совершенно не походит на ныряние других птиц. Опустившаяся на воду оляпка так держит крылья, что ее течением прижимает ко дну, она бежит, переворачивая камешки и склевывая под ними добычу. Сложившую крылья птицу, как пробку, выбрасывает на поверхность. Живут оляпки по берегам горных речек и ручьев; нырять в стоячей воде они не могут.
Экологическая группа водных птиц
Водные птицы характеризуются плотным оперением, сильным развитием пуха, хорошо развитой копчиковой железой для смазывания оперения, плавательными перепонками на ногах. В эту экологическую группу из наших птиц входят чистиковые, чайки, трубконосые, гагары, поганки, веслоногие, гусеобразные. Характер и степень связи с водной средой, как и морфологические приспособления, у этих птиц довольно разнообразны. В этой группе выделяют следующие основные подгруппы.
Нырцы
– в наибольшей степени приспособлены к жизни в воде. Сюда относятся чистиковые, гагары, поганки. В водоемах проводят большую часть жизни, с сушей связаны только в период гнездования. Пищу добывают исключительно в воде, в ее толще и на дне. Ныряют и плавают прекрасно. На суше передвигаются с трудом, летают плохо. Гнезда делают близко от воды.
Воздушно-водные птицы
– большую часть жизни проводят в воздухе, высматривая в воде пищу (рыбу и других водных животных). К этому типу относятся чайки, крачки, трубконосые. Заметив добычу, бросаются за ней, слегка погружаясь в воду, и вновь поднимаются на крыло. Хорошо плавают, ноги снабжены перепонками, но не ныряют (за редким исключением). Клюв крепкий, удлиненный, у большинства несколько загнутый на конце. По суше ходят свободно.
Наземно-водные птицы
– наименее связаны с водой. Сюда относятся утки, лебеди, гуси. Гнездятся часто далеко от водоемов. Однако связь с водой неодинакова. Больше других с водой связаны нырковые утки, которые кормятся только на водоемах, хорошо ныряют, добывают пищу со значительной глубины. Летают сравнительно хорошо, но поднимаются в воздух с трудом. Менее связаны с водой настоящие или речные утки, которые часто кормятся на суше, а на водоемах предпочитают мелководные заросшие участки с травой и кустами. Ныряют плохо, летают хорошо. В наименьшей степени связаны с водой гуси. Хотя они гнездятся у водоемов, но в воду сходят редко и кормятся почти исключительно на суше. Цедильный аппарат у гусей развит плохо, и роговые зубчики по краям клюва приспособлены к срыванию растений.
Птицам зимой приходится приспосабливаться и изменениям кормовых, температурных условий и к условиям освещения.
Зимний сезон в умеренных и высоких широтах полностью меняет условия питания птиц. В цело набор кормов всех видов сокращается. Целиком пропадают для птиц зеленые побеги, трава, ягоды и плоды травянистых растений и низкорослых кустарников, почти все семена, практически все беспозвоночные, амфибии, пресмыкающиеся и рыбы в замерзающих водоемах. Охота на грызунов и других зверьков становится крайне затруднена, т. к. зверьки прячутся в норах и многие впадают в спячку.
Доступными остаются лишь часть семян, почки и мелкие ветки деревьев, немного семян высоких травянистых растений, скрытые в коре деревьев насекомые и их личинки, некоторые мелкие зверьки и отходы, доступные в человеческих поселениях, на свалках и дорогах. В целом растительные корма в этот период преобладают над животными, но их добыча становится более сложной.
Птицам приходится как менять свой рацион, переходя с животной пищи на растительную, а так же на хозяйственные отбросы, так и менять способ добычи корма, а значит и весь темп своей жизни. Так птицам, привыкшим собирать корм на земле, приходится перебираться на деревья, а собиравшим насекомых с листьев теперь нужно заниматься выдалбливанием зимующих насекомых из-под коры деревьев.
Птицы, способные таким образом менять свои «привычки» обычно не совершают больших перелетов, что усиливает их оседлость. Такие птицы круглы год могут жить в одних и тех же широтах.
Другой прием приспособления в изменению кормовых условий – запасание кормов. Запасание кормов практикуют многие птицы. Запасаются как растительные, так и животные корма, включая трупы мелких зверьков и птиц. Из вороновых больших успехов в запасании корма достигли кедровки и сойки. Кедровки делают большие запасы кедровых орешков под корнями деревьев и мхом. Запасы желудей и ягод, сделанные сойкой осенью, спрятанные в дуплах и под корнями деревьев, достигают 4 кг. Ворона и сорока так же могут прятать небольшие запасы под листья или в снег. Следует отметить, что обычно птица сама находит съедает лишь часть своих запасов и пользуется запасами, сделанными другими птицами ее вида из данной популяции.
Зимой понижение температуры действует на птиц как опосредованно, через изменение кормовых условий, так и напрямую, увеличивая теплоотдачу организма птиц. Если быть точным, то температура является только одним из нескольких показателей, определяющих охлаждающую способность среды
, очень важными показателями являются влажность и скорость движения воздуха.
Для компенсации потерь тепла у птиц повышается теплопродукция и улучшается теплоизоляция. Особенно сильно сказывается понижение температуры на мелких птицах, у которых при сезонных изменений температуры теплоотдача увеличивается в несколько раз. А поскольку теплопродукция требует затрат энергии, мелкие птицы вынуждены питаться в течении всего светового дня. Зимой же световой день короток, что является еще одной проблемой для зимовки мелких птиц в холодных широтах.
У зимующих птиц в связи с похолоданием происходят изменения как в организме, так и в поведении.
Изменения в организме направленные на улучшение теплоизоляции состоят в увеличении густоты и пушистости оперения (возрастает количество и длина перьев, развитие пуховой части пера, при всем этом масса оперения к зиме увеличивается до полутора и более раз) и в увеличении собственных энергетических запасов в виде подкожного жира, масса которого увеличивается на 1–5 грамм. Жировые запасы увеличиваются в большей степени у птиц, зимующих вдали от поселений человека, а у птиц, зимующих в непосредственной близости к ним, жировые запасы малы, вероятно из-за наличия более благоприятных кормовых и защитных условий.
Поведенческое приспособление птиц к зимним условиям характеризуется использованием различного вида убежищ, а так же сбором птиц на в группы для ночевок. Ночью наблюдаются наиболее низкая температура, а поскольку для большинства птиц ночь является периодом покоя, когда снижается уровень обмена веществ и теплопродукция не столь эффективной, птицам нужны способы уменьшить теплоотдачу в этот период. Птицы: ведущие наземный образ жизни, зарываются в снег, некоторые роют в снегу норы, некоторые используют дупла в стволах деревьев. Такие способы пригодны как для ночевок, так и для защиты от непогоды. Птицы, зимующие в населенных пунктах, забираются под крыши, в различные пустоты зданий и т.д. Собираясь не по отдельности, а группами, такая защита становится еще эффективнее. Некоторые птицы, ночующие на деревьях, так же устраивают групповые ночлеги (вороны, галки, местами грачи). Они собираются в большие группы, садятся на дерево плотно, по десятку птиц на ветке и более, распушают перья и таким образом ночуют. При такой плотной посадке температура воздуха между сидящими птицами возрастает и теплоотдача уменьшается.
В осенне-зимний период в северном полушарии наблюдается уменьшение светового дня, что особенно выражено в умеренных и высоких широтах, где световой день сокращается вдвое и даже более. Это сказывается на суточной активности птиц. Так, на Крайнем Севере, в условиях полярного летнего дня, птицы активны круглосуточно, они постоянно чередуют отдых и поиск пищи. У умеренной зоне летом у птиц основная активность наступает в утренние и вечерние часы, ночью и в середине дня они отдыхают. Таким образом, если в весенне-летний период птицы имеют достаточно времени на поиск корма и отдых, то в осенне-зимний период птицам приходится весь световой день заниматься поисками корма, довольствуясь только ночным отдыхом.