火烈鳥制造水龍卷風來誘捕獵物 _火烈鳥

火烈鳥通過沿著淺水湖底向前拖動扁平的喙來覓食。為了提高進食效率，它們會跺腳跳舞攪動底部，用頭制造上升流渦流，并不斷拍打嘴，將食物（如鹵蝦）吸入嘴里。圖片來源：Aztli Ortega

一只智利火烈鳥在淺水中覓食。圖片來源：Victor Ortega Jiménez，加州大學伯克利分校
據加州大學伯克利分校（羅伯特·桑德斯）：火烈鳥平靜地站在一個淺堿性湖中，頭部被淹沒，似乎在平靜地進食，但水面下發生了很多事情。
通過對納什維爾動物園的智利火烈鳥的研究，以及對它們的腳和L形喙的3D打印模型的分析，研究人員記錄了這些鳥是如何利用它們的腳、頭和喙在水中產生漩渦風暴，以有效地集中和吸吮獵物的。
加州大學伯克利分校綜合生物學助理教授維克托·奧爾特加·希門尼斯專門研究生物力學，他說：“火烈鳥實際上是捕食者，它們正在積極尋找在水中移動的動物，它們面臨的問題是如何集中這些動物，把它們拉到一起覓食。” 。“想想蜘蛛，它們會結網誘捕昆蟲。火烈鳥正在用漩渦誘捕動物，比如鹵蝦。”
亞特蘭大佐治亞理工學院的奧爾特加·希門尼斯及其合作者；佐治亞州瑪麗埃塔肯尼索州立大學（KSU Marietta）；納什維爾動物園本周在《美國國家科學院院刊》上發表了他們的發現。
研究人員發現，火烈鳥用它們柔軟的蹼腳攪動底部沉積物，并將其以螺旋狀向前推進，然后像柱塞一樣向上猛拉頭部，將其吸引到水面，形成迷你龍卷風。一直以來，鳥類的頭部在水漩渦中都是倒置的，它們傾斜的喙在吱吱作響，形成較小的漩渦，將沉積物和食物引導到嘴里，在那里食物被擠出。
火烈鳥的喙的獨特之處在于，它的前端呈扁平狀，因此當鳥的頭在水中倒置時，扁平部分與底部平行。這使得火烈鳥能夠采用另一種稱為撇油的技術。這涉及到用它長長的S形脖子向前推它的頭，同時快速拍打它的喙，形成片狀渦流——馮·卡門渦流——來捕捉獵物。
奧爾特加·希門尼斯說，這套主動進食行為掩蓋了火烈鳥作為被動濾食者的聲譽。
他說：“看起來它們只是過濾被動粒子，但事實并非如此，這些動物實際上是在捕食正在移動的動物。” 。
他發現的原理可用于設計更好的系統，用于從水中濃縮和吸收微小顆粒，如微塑料；基于抖動的更好的自清潔過濾器；或者像火烈鳥一樣可以在泥里行走和奔跑的機器人。
顫動
奧爾特加·希門尼斯是墨西哥普埃布拉人，在新冠肺炎大流行前，他與妻子和女兒參觀亞特蘭大動物園時，對火烈鳥的覓食行為著迷。在拍攝這些鳥的覓食行為時，他只觀察到表面有漣漪。
他說：“我們不知道里面發生了什么。這是我的問題。”
當時，佐治亞州肯尼索州立大學的博士后奧爾特加·希門尼斯將火烈鳥喂食作為他的下一個研究項目。他說，他認為自己是一位現代達爾文主義博物學家，研究從線蟲、蒼蠅到跳蟲和鳥類等所有類型動物的行為，重點研究動物如何與周圍環境相互作用和操縱周圍環境，包括空氣、水和電磁場。
他從肯尼索州搬到佐治亞理工學院，在Saad Bhamla的實驗室工作，在那里他與工程師合作，他們在納什維爾動物園接觸到了智利火烈鳥。研究小組拍攝了它們在一個大托盤里進食的過程，使用激光照射水中的氣泡，以觀察動物頭部和喙產生的渦流。
在搬到奧羅諾的緬因大學擔任助理教授后，奧爾特加·希門尼斯改進了火烈鳥喙和腳的3D打印模型，以更精確地研究鳥類在進食時拍打喙或“嘰嘰喳喳”時水和顆粒的運動。
2024年，他再次搬到加州大學伯克利分校，在那里他進行了實驗，以了解喋喋不休和跺腳在捕捉活鹵蝦方面的效果。這篇新論文總結了所有這些合作工作。
在加州大學伯克利分校，他將一個真正的火烈鳥喙連接到一個致動器上，以模擬抖動，并在嘴里添加了一個小泵，以模擬舌頭并吮吸嘴里捕獲的鹵蝦。通過這種設置，他能夠確定喋喋不休是火烈鳥覓食的關鍵。
他說：“實際上，通過管道的鹵蝦數量增加了七倍。” 。“所以很明顯，這種喋喋不休的聲音增加了被喙捕獲的個體數量。”
跳街舞
奧爾特加·希門尼斯說，喂食行為始于腳。如果你在非常淺的水中觀察火烈鳥，你經常可以看到它在原地跳舞或繞圈跳舞的行為。
腳有蹼，但和許多涉水鳥一樣，它們是松軟的，所以當鳥抬起腳時，蹼會塌陷并從底部脫離，而沒有吸力，這使得人類很難在泥中行走。在行走或奔跑時，火烈鳥似乎會將腳滑入水中，而不是跺腳，這種技術可以幫助機器人在水中或泥地中行走。
Ortega Jiménez創建了剛性和柔性火烈鳥腳的模型，以比較這兩種設計如何影響流體流動，他發現松軟的腳在將沉積物渦流推出每一步之前更有效。剛性織帶主要產生湍流。
他創建了一個L形喙的3D模型，能夠證明在水中向上直拉頭部會產生一個圍繞垂直軸旋轉的渦流，再次集中食物顆粒。他測得頭部速度約為每秒40厘米（每秒1.3英尺）。小型龍卷風的強度足以困住甚至敏捷的無脊椎動物，如鹵蝦和被稱為橈足類的微小甲殼類動物。
顫振也會在喙周圍產生漩渦。奧爾特加·希門尼斯發現，在這種情況下，火烈鳥保持其上喙靜止，盡管它能夠獨立運動，并且只移動下喙——在喋喋不休的過程中每秒大約移動12次。
該論文的合著者、KSU Marrieta的教授Tien Yee利用計算流體動力學在計算機上模擬了喙和腳周圍的3D流動。他證實，漩渦確實會聚集顆粒，類似于在水槽中使用3D打印頭進行的實驗，水槽中既有主動游泳的鹵蝦，也有被動漂浮的鹵蝦卵。
奧爾特加·希門尼斯說：“我們觀察到，當我們把一個3D打印的模型放在水槽里模仿我們所謂的撇食時，它們在喙的側面產生對稱的渦流，使水中的顆粒再循環，從而使它們真正進入喙中。” 。“這就是流體動力學的把戲。”
他的下一個項目是確定火烈鳥活塞狀舌頭的作用，以及喙的梳狀邊緣如何將獵物從鹽水中過濾出來，有時是有毒的水。
他說：“火烈鳥是過濾式喂養的超級專業動物。” 。“不僅僅是頭部，還有頸部、腿、腳以及它們用來有效捕捉這些微小而敏捷的生物的所有行為。”
除了Yee，該論文的其他合著者還有佐治亞理工學院的博士后研究員Pankaj Rohilla、研究生Benjamin Seleb和Saad Bhamla教授；田納西州納什維爾動物園的杰克·貝萊爾。