Vertebrele ranforsate ajută păsările marine care plonjează să supraviețuiască impactului la viteză mare
Un bobârnac nordic scrutează marea de la 30 de metri înălțime. Când zărește un banc de pești, își arcuiește corpul într-un picaj și lovește suprafața apei cu circa 113 kilometri pe oră, fără să-și rupă gâtul. Manevra pare să sfideze legile naturii, dar este un comportament obișnuit de vânătoare pentru păsările marine care se scufundă în picaj.
Un studiu publicat pe 12 octombrie în revista Anatomical Record arată că bobârnacii și boobii au adaptări morfologice unice care le permit să supraviețuiască impactului. Mai multe dintre vertebrele lor cervicale sunt unite printr-o suprafață de contact suplimentară care stabilizează coloana cervicală. Forma generală a vertebrelor este, de asemenea, mai solidă decât la alte păsări.
„Am vrut să aflăm ce anume face bobârnacii atât de speciali, atât de buni la scufundări, iar analizarea biologiei lor ne-a ajutat să înțelegem cum pot supraviețui acestor impacturi”, a declarat Bart Boom, autor principal al studiului și cercetător postdoctoral la Friday Harbor Labs din cadrul Universității din Washington.
Recordul ecologic arată situații repetate în care păsările dezvoltă trăsături fizice ca răspuns la mediul lor. Charles Darwin a fost printre primii care au documentat acest fenomen în anii 1830, la cintezele din Insulele Galápagos, iar cercetătorii descoperă și astăzi exemple noi. Legătura dintre forma ciocului și comportamentul de hrănire este bine documentată, dar relația dintre structura gâtului și hrănire a primit mai puțină atenție.
Cercetătorii au început să studieze mecanica scufundării în picaj acum câțiva ani. Bobârnacii sunt construiți să suporte o presiune imensă asupra capului și gâtului, care comprimă coloana cervicală. În mod obișnuit, inginerii preferă structuri scurte și groase pentru construcțiile care trebuie să reziste la forțe de compresiune, dar aceste păsări au gâturi lungi și suple, cu vertebre segmentate. Gâtul bobârnacului are 15 vertebre suprapuse care se îndoaie ușor într-o curbă în formă de S. Studii anterioare au arătat că mușchii din jurul vertebrelor ajută la fixarea lor în poziție înainte de impact, dar puține cercetări au analizat morfologia propriu-zisă a gâtului păsărilor care se scufundă.
Pentru a face acest lucru, cercetătorii au colectat specimene de păsări care se scufundă și de păsări care nu se scufundă de la Muzeul Burke. Echipa a realizat tomografii computerizate pentru a crea modele tridimensionale detaliate ale vertebrelor cervicale, apoi a analizat imaginile prin morfometrie geometrică, o metodă statistică de studiere a eșantioanelor biologice care stabilește repere pentru comparație. Cercetătorii au luat în considerare forțele asociate diferitelor stiluri de hrănire și au ales păsări care reprezentau un spectru, folosind și date morfologice suplimentare din studii anterioare.
„Păsările care își rotesc capul dintr-o parte în alta sau îl mișcă înainte și înapoi se separă de păsările care își folosesc capul prin compresiune”, a declarat Megan Vandenberg, autoarea principală a studiului și studentă la doctorat în biologie la Friday Harbor Labs. „Observăm că păsările care plonjează au vertebre mai robuste. Sunt mai groase, mai late și mai scurte, cu o formă mai degrabă pătrată.”
Forma solidă a vertebrelor oferă un sprijin suplimentar, la fel ca suprafața de contact suplimentară, numită fațetă articulară, prezentă la vertebrele de la a doua până la a șasea. În acest caz, cercetătorii cred că fațeta suplimentară împiedică gâtul păsărilor să se îndoaie spre spate atunci când lovesc apa într-un unghi. În schimb, sarcina este transferată în jos pe coloana cervicală.
Cercetătorii au observat, de asemenea, vertebre mai compacte la alte păsări care se scufundă, cum ar fi pescărușul de iarnă, dar nu au detectat fațeta suplimentară. Pescărușii de iarnă aparțin unei familii diferite de păsări și sunt mult mai mici decât bobârnacii și boobii, dar gâturile lor par să fi evoluat într-un mod similar. Relația structurală este, de asemenea, proporțională: cu cât gâtul este mai mare, cu atât vertebrele sunt mai mari. Pescărușii de iarnă și scufundătorii mai mari resimt aceeași cantitate de forță pe unitatea de suprafață a gâtului în timpul unei scufundări. Deși forța totală crește odată cu dimensiunea gâtului, gradul de solicitare a țesutului este același. Ambele grupuri au resimțit forța maximă la aproape 5 milisecunde după impact, în ciuda diferenței de dimensiune.
În viitor, cercetătorii speră să exploreze mai în detaliu modul în care forța se transferă de-a lungul gâtului. De asemenea, consideră că această legătură dintre structură și funcție ar putea ajuta paleontologii să identifice păsările care plonjează în picaj pe baza fosilelor.
„Este ceva la care nu m-am gândit anterior și pe care probabil l-am trecut cu vederea”, a spus Vandenberg. „Sunt curios să încep să analizez mai atent vertebrele în general, nu doar la păsări.”
