Ecco come si muove l'ala del colibrì. In un'abile torsione il segreto del volo del colibrì./ Here's how to move the hummingbird wing. In a clever twist on the Hummingbird flight secret.

Ecco come si muove l'ala del colibrì. 

In un'abile torsione il segreto del volo del colibrì. / Here's how to move the hummingbird wing. In a clever twist on the Hummingbird flight secret.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

Qual è il segreto dei colibrì, capaci di mantenersi sospesi a mezz'aria, consumando molte energie e ossigeno, anche sulle montagne più alte dove l'aria è rarefatta?

Il volo del colibrì è simile a quello degli insetti, caratterizzato da un'elevata frequenza di battito, da una ridotta tensione muscolare e soprattutto da un orientamento variabile delle ali che permette di ottenere una spinta ascensionale durante entrambe le fasi di battimento. La ricostruzione video mostra come vi riesca nonostante i limiti imposti dall'endoscheletro dei vertebrati.

I colibrì esibiscono il tipo di volo più spossante in tutto il regno animale: la loro abitudine di mantenersi sospesi a mezz'aria richiede molte più energie e ossigeno rispetto al volo convenzionale. Eppure, l'aria rarefatta non sembra rappresentare alcun ostacolo per questi uccelli, che vivono abitualmente su montagne a grandi altitudini dall'Alaska fino al Sud America. 

Per scoprire come ci riescono, gli ornitologi Douglas Altshuler del California Institute of Technology di Pasadena e Robert Dudley dell'Università della California di Berkeley si sono recati nel cuore del territorio dei colibrì, le Ande peruviane. Qui i colibrì raggiungono la loro massima diversità, nonostante le difficoltà poste dalla carenza di ossigeno e dalla bassa densità dell'aria. Ad altitudini che vanno da 400 a 4300 metri, gli scienziati hanno catturato 484 colibrì appartenenti a 43 specie. Dopo aver misurato la massa corporea e l'estensione alare di ciascun uccello, i ricercatori hanno filmato il loro stile di volo nelle condizioni atmosferiche locali. Applicando ai colibrì una "imbracatura" legata a un filo di perline colorate, Altshuler e Dudley hanno anche misurato quanto peso aggiuntivo erano in grado di sollevare, valutando così la loro riserva di energie. 

I risultati, pubblicati sulla rivista "Proceedings of the National Academy of Sciences", mostrano che i colibrì hanno superato gli ostacoli aerodinamici riuscendo a librarsi ugualmente bene a qualsiasi altitudine. Questo è particolarmente notevole, in quanto le specie che vivono più in alto tendono a pesare di più: il peso aiuta a conservare il calore corporeo nei climi più freddi, ma rende più difficile sollevarsi dal suolo. Per

compensare, i colibrì di montagna hanno ali relativamente più grandi e una maggiore estensione di ciascun battito d'ala. Questi adattamenti sono presenti nelle specie di diverse linee evolutive (secondo l'analisi del DNA) del Sud America.

Grazie a riprese ad alta velocità con una cinepresa a raggi X, un gruppo di ricercatori ha chiarito in che modo riesce a utilizzare lo stesso tipo di volo degli insetti, effettuando un rovesciamento delle ali, nonostante i vincoli imposti dal suo scheletro.

Grazie a telecamere a raggi X ad alta velocità, un gruppo di scienziati ha scoperto come fanno i colibrì a volare come gli insetti, a dispetto dei limiti imposti dal fatto di avere uno scheletro da uccello.

La maggior parte degli uccelli produce una spinta verso l'alto solo quando batte le ali verso il basso, ma il colibrì, rovesciando le ali, può farlo anche quando esse si muovono in direzione opposta. Gli insetti realizzano una simile prodezza rovesciando le ali alla base, ma un colibrì è vincolato dal suo scheletro, e il meccanismo sfruttato per realizzare questa manovra era ignoto.

"Il colibrì ha adottato uno stile di volo da insetto coniugandolo con il patrimonio evolutivo di un vertebrato", spiega Tyson Hedrick, il biologo dell'University  North Carolina a Chapel Hill che ha condotto lo studio. "Ha essenzialmente le stesse ossa dell'arto che abbiamo noi, ma realizza questa incredibile prodezza lanciando l'ala avanti e indietro come un moscerino della frutta, e non come un piccione".


Filmando alcuni colibrì gola rubino (Archiloco colubris) in volo, Hedrick ha dimostrato che gli uccelli invertono il moto delle ali ruotando l'articolazione del polso. "Sembra che sia interessata l'intera ala, perché lo scheletro degli uccelli è molto compresso e il polso non è molto lontano dalla spalla", dice Hedrick.
Un'ipotesi, questa, suggerita da scienziati tedeschi già nel 1939, ma che solo ora Hedrick ha finalmente confermato.

Lo studio, pubblicato sui "Proceedings della Royal Society B", ha avuto inizio con la scoperta di 

vecchie attrezzature abbandonate. I ricercatori della Brown University di Providence, Rhode Island, dove Hedrick è stato visiting researcher, avevano capito di poter fare riprese a raggi X a basso costo adattando telecamere ad alta velocità a vecchi sistemi a raggi X ormai in disuso. "Il problema era che dovevamo limitarci al volume di un pallone da calcio", ricorda Hedrick, che ha così iniziato a pensare a quali animali potesse studiare con quell'apparecchiatura. I colibrì, che sono piccoli e si librano in un punto particolare, permettevano di far quadrare i conti.

All'inizio però, la tecnica non funzionava: Hedrick vedeva solo ombre indistinte: "L'uccello è talmente piccolo e leggero che le sue ossa sono in gran parte trasparenti ai raggi X". Così decise di incollare alla pelle degli uccelli minuscoli granuli di platino per marcare la posizione delle ossa.

Il lavoro è "riuscito e ha permesso di far avanzare le nostre conoscenze sul volo del colibrì", spiega Chris Clark, un biologo che studia i colibrì alla Yale University, a New Haven, nel Connecticut. "Utilizzando video a raggi X, si può vedere direttamente come le ossa dell'ala si muovono quando le sbatte."

Nella maggior parte degli uccelli, durante il movimento ascendente il polso si ripiega per spingere l'ala verso il corpo mentre sale. I colibrì hanno invece adattato quegli stessi movimenti per ruotare le ali. "Il meccanismo usuale rende la salita aerodinamicamente invisibile", dice Hedrick. "Il meccanismo del colibrì la rende salita aerodinamicamente efficiente."

I video hanno anche dimostrato che i colibrì sbattono le ali ruotando l'omero, piuttosto che battendole in su e in giù dalla spalla, come fanno gli altri uccelli. Per capire la differenza, Hedrick raccomanda di provare a imitare un uccello sbattendo le braccia; "Così stai facendo qualcosa di non troppo diverso da quello che fa un gabbiano". Per imitare un colibrì, "devi tenere la parte superiore del braccio vicina al corpo con il gomito sul fianco, e agitare gli avambracci avanti e indietro".

Un volo potente

Grazie a queste innovazioni, il colibrì può efficacemente fornire molta potenza alla sua piccola ala grazie alle contrazioni dei muscoli del torace. "Il colibrì ingrana i suoi muscoli di volo a una marcia molto alta e con questa piccola torsione riesce a ruotare l'ala di 140°", dice Hedrick." Gli insetti fanno qualcosa di simile. Per rimanere in aria, gli animali di piccola taglia devono battere le ali più velocemente di quelli più grandi e rischiano di perdere potenza muscolare durante il processo. Colibrì e insetti sono arrivati alla stessa soluzione: utilizzando i loro muscoli in modo efficiente, possono produrre una grande quantità di potenza con movimenti veloci, ma piccoli."

Lo studio è di primissima qualità, condotto dai migliori del settore", osserva Ken Dial, biologo dell'Università del Montana a Missoula. "Stimolerà ulteriori studi per esplorare meccanismi analoghi in altri organismi atti al volo, come uccelli e pipistrelli, e su un'ampia gamma di dimensioni.

"E infatti, Hedrick vuole ora vedere se colibrì più grandi, come per esempio il colibrì gigante della Patagonia (Patagona gigas), che è più grande di quello gola rubino, si muovono nella stessa maniera. Ma mentre il colibrì gola rubino è comune nelle regioni orientali del Nord America, i suoi parenti più grandi si trovano nella regione della Ande in Sud America. "Probabilmente porteremo con noi l'apparecchio a raggi X", dice Hedrick.

ENGLISH

What is the secret of hummingbirds, survivable suspended in mid-air, consuming a lot of energy and oxygen, even the highest mountains where the air is thin? The flight Hummingbird is similar to that of insects, characterized by a high beat frequency, by a reduced muscle tension and especially by a variable orientation of the wings that allows to obtain a buoyancy during both phases of the beat. The video shows how reconstruction will succeed despite the limits imposed dall'endoscheletro of vertebrates. Hummingbirds exhibit the type of flight more exhausting throughout the animal kingdom: their habit to remain suspended in the air requires a lot more energy and oxygen than conventional flight. Still, the thin air does not seem to be any obstacle for these birds, normally living on mountains to great heights from Alaska to South America. To find out how we can, ornithologists Douglas Altshuler of the California Institute of Technology in Pasadena and Robert Dudley of the University of California, Berkeley, went to the heart of the hummingbird, the Peruvian Andes territory. Here hummingbirds reach their maximum diversity, despite the difficulties posed by the lack of oxygen and low air density. At altitudes ranging from 400 to 4300 meters, scientists have captured 484 hummingbirds belonging to 43 species. After measuring the body mass and the extension wing of each bird, the researchers filmed their flight style in local weather conditions. Applying the hummingbird a "sling" on a string of colored beads, Altshuler and Dudley also measured how much additional weight were able to lift, thus assessing their reserves of energy. The findings, published in the journal "Proceedings of the National Academy of Sciences", show that the hummingbirds have overcome obstacles aerodynamic managing to hover equally well at any altitude. This is particularly remarkable, since the species that live longer at the top tend to weigh more: the weight helps to conserve body heat in colder climates, but makes it more difficult to rise from the ground. For compensate, mountain hummingbirds have relatively larger wings and a greater extension of each wing beat. These adaptations are present in species from different evolutionary lines (according to the analysis of DNA) of South America. Thanks to high-speed shooting with an X-ray camera, a group of researchers has clarified the way can use the same type of flying insects, making a reversal of the wings, despite the constraints imposed by its skeleton.

Thanks to cameras and wired high-speed X-ray, a group of scientists has discovered how to make the hummingbird fly like insects, in spite of the limitations imposed by the fact of having a bird skeleton.

Most of the birds produces a push to the top only when beating wings down, but the hummingbirds, reversing the wings, can do it even when they move in the opposite direction. Insects perform a similar feat by reversing the wings at the base, but a hummingbird is bound by its skeleton, and the mechanism used to accomplish this maneuver was unknown.

"The hummingbird has adopted a style of flying insects by combining it with the evolutionary heritage of a vertebrate," says Tyson Hedrick, a biologist at University North Carolina at Chapel Hill who led the study. "It has essentially the same limb bones as we do, but realizes this incredible feat by launching a forward wing and forth like a fruit fly, and not like a pigeon."

Filming some ruby ​​throat hummingbird (Archilochus colubris) in flight, Hedrick has shown that birds reverse the movement of the wings by rotating the wrist joint. "It seems to have affected the whole wing, because the skeleton of birds is very compressed and the wrist is not very far from the shoulder," says Hedrick.

Hypothesis, this, suggested by German scientists in 1939, but only now Hedrick has finally confirmed.

The study, published in the "Proceedings of the Royal Society B," began with the discovery of

old abandoned equipment. Researchers at Brown University in Providence, Rhode Island, where Hedrick was visiting researcher, had felt it could make filming X-rays at low cost by adapting high-speed cameras to old X-ray systems now in disuse. "The problem was that we had to limit ourselves to the volume of a soccer ball," recalls Hedrick, who thus started thinking about what animals could study with that equipment. Hummingbirds, which are small and hover at a particular point, allowed to make ends meet.

But at first, the technique did not work: Hedrick saw only indistinct shadows: "The bird is so small and light that his bones are largely transparent to X-rays." So he decided to stick to the skin of the birds tiny platinum beads to mark the position of the bones.

The work is "able and allowed to advance our knowledge on the hummingbird flight," says Chris Clark, a biologist who studies the hummingbirds at Yale University, in New Haven, Connecticut. "Using video x-ray, you can see directly how the wing bones move when the slams."

In most birds, during the upward movement of the wrist it folds to push the wing toward the body as it rises. Hummingbirds have adapted rather those same movements to rotate the wings. "The usual mechanism makes the climb aerodynamically invisible," says Hedrick. "The Hummingbird mechanism makes uphill aerodynamically efficient."

The videos also showed that the hummingbird flapping its wings by turning the humerus, rather than beating them up and down from the shoulder, like other birds. To understand the difference, Hedrick recommends trying to mimic a bird flapping his arms; "So you're doing something not too different from what makes a seagull". To mimic a hummingbird, "you have to keep your upper arm close to the body with your elbow on the side, and shake the forearms back and forth."

A powerful flight

With these innovations, the hummingbird can effectively provide a lot of power to his small forward due to contractions of the chest muscles. "The hummingbird engages its flight muscles in a very high and with this little twist gear can rotate the wing of 140 °," says Hedrick. "The insects do something like that. To stay in the air, the small animals size must beat the wings faster than older children and risk losing muscle power during the process. Hummingbirds and insects arrived at the same solution: using their muscles efficiently, can produce a large amount of power with fast movements, but little ones."

The study is of the highest quality, conducted by the best in the industry, "notes Ken Dial, a biologist at the University of Montana in Missoula." It will stimulate further studies to explore similar mechanisms in other organisms acts on the fly, like birds and bats, and a 'wide range of sizes. 

"And in fact, Hedrick now wants to see if the larger hummingbirds, such as the Patagonian giant hummingbird (Patagona gigas), which is larger than the ruby throat, move in the same way. But while the ruby throat hummingbird is common in eastern regions of North America, its biggest relatives are located in the Andean region in South America. "probably we will take with us the X-ray equipment," says Hedrick.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2011/12/17/news/colibr_volo_ali-744085/

http://www.lescienze.it/news/2004/12/11/news/librarsi_a_grandi_altezze-585587/

.