火烈鸟制造水龙卷风来诱捕猎物

火烈鸟平静地站在一个浅碱性湖中，头部被淹没，似乎在平静地进食，但水面下发生了很多事情。

通过对纳什维尔动物园的智利火烈鸟的研究，以及对它们的脚和L形喙的3D打印模型的分析，研究人员记录了这些鸟是如何利用它们的脚、头和喙在水中产生漩涡风暴，以有效地集中和吸吮猎物的。

“火烈鸟实际上是捕食者，它们正在积极寻找在水中移动的动物，它们面临的问题是如何集中这些动物，将它们拉到一起并进食，”加州大学伯克利分校综合生物学助理教授Victor Ortega Jiménez说，他专门研究生物力学。“想想蜘蛛，它们会制造网来捕捉昆虫。火烈鸟正在用漩涡来捕捉动物，比如卤虾。”亚特兰大佐治亚理工学院的奥尔特加·希门尼斯和合作者；佐治亚州玛丽埃塔肯尼索州立大学（KSU Marietta）；纳什维尔动物园本周在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的发现。

一只在浅水中觅食的智利火烈鸟。图片来源：Victor Ortega Jiménez，加州大学伯克利分校智利火烈鸟。图片来源：加州大学伯克利分校的Victor Ortega Jiménez

研究人员发现，火烈鸟用它们柔软的蹼状脚搅动底部沉积物，并将其以螺旋状向前推进，然后通过像柱塞一样向上猛拉头部将其吸引到水面，从而产生迷你龙卷风。一直以来，鸟类的头部在水漩涡中都是倒置的，它们倾斜的喙在吱吱作响，形成较小的漩涡，将沉积物和食物引导到嘴里，在那里食物被挤出。

火烈鸟的喙有一个独特之处，那就是它的前端是扁平的，所以当鸟的头在水中倒置时，扁平的部分与底部平行。这使得火烈鸟能够采用另一种称为撇油的技术。这涉及到用它长长的S形脖子向前推它的头，同时快速拍打它的喙，形成片状涡流——冯·卡门涡流——来捕捉猎物。奥尔特加·希门尼斯说，这套主动进食行为掩盖了火烈鸟作为被动滤食者的声誉。

“看起来它们只是过滤被动粒子，但事实并非如此，这些动物实际上是在捕食正在移动的动物，”他说。

他发现的原理可用于设计更好的系统，用于从水中浓缩和吸收微小颗粒，如微塑料；基于抖动的更好的自清洁过滤器；或者像火烈鸟一样可以在泥里行走和奔跑的机器人。

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奥尔特加·希门尼斯（Ortega Jiménez）是墨西哥普埃布拉人，在新冠肺炎大流行前，他与妻子和女儿参观亚特兰大动物园时，对火烈鸟的觅食行为着迷。在拍摄这些鸟的觅食行为时，他只观察到表面有涟漪。

“我们不知道里面发生了什么。这是我的问题，”他说。

当时，佐治亚州肯尼索州立大学的博士后奥尔特加·希门尼斯将火烈鸟喂食作为他的下一个研究项目。他说，他认为自己是一位现代达尔文主义博物学家，研究从线虫、苍蝇到跳虫和鸟类等所有类型动物的行为，重点研究动物如何与周围环境相互作用和操纵周围环境，包括空气、水和电磁场。

他从肯尼索州搬到佐治亚理工学院，在Saad Bhamla的实验室工作，在那里他与工程师合作，他们在纳什维尔动物园接触到了智利火烈鸟。研究小组拍摄了它们在一个大托盘里进食的过程，使用激光照射水中的气泡，以观察动物头部和喙产生的涡流。

在搬到奥罗诺的缅因大学担任助理教授后，奥尔特加·希门尼斯改进了火烈鸟喙和脚的3D打印模型，以更精确地研究鸟类在进食时拍打喙或“叽叽喳喳”时水和颗粒的运动。

2024年，他再次搬到加州大学伯克利分校，在那里他进行了实验，看看抖音和跺脚在捕捉活卤虾方面有多有效。这篇新论文总结了所有这些合作工作。

在加州大学伯克利校区，他将一个真正的火烈鸟喙连接到一个致动器上，以模拟抖音，并在口中添加了一个小泵来模拟舌头并吮吸口中捕获的卤虾。通过这种设置，他能够确定喋喋不休是火烈鸟觅食的关键。

他说：“实际上，通过管道的卤虾数量增加了七倍。”。“因此，很明显，喋喋不休正在增加被喙捕获的个体数量。”

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展。奥尔特加·希门尼斯说，踢踏舞的进食行为始于脚。如果你在非常浅的水中观察火烈鸟，你经常可以看到它在原地跳舞或绕圈跳舞的行为。

脚有蹼，但与许多涉禽一样，它们是松软的，因此当鸟抬起脚时，蹼会塌陷并从底部脱离，而没有吸力，这使得人类很难在泥中行走。在行走或奔跑时，火烈鸟似乎会将脚滑入水中，而不是跺脚，这种技术可以帮助机器人在水中或泥地中行走。

Ortega Jiménez创建了刚性和柔性火烈鸟脚的模型，以比较这两种设计如何影响流体流动，他发现松软的脚在将沉积物涡流推出每一步之前更有效。刚性织带主要产生湍流。

创建了一个L形喙的3D模型，他能够证明在水中向上拉动头部会产生一个围绕垂直轴旋转的涡流，再次集中食物颗粒。他测得头部速度约为每秒40厘米（每秒1.3英尺）。小型龙卷风的强度足以困住甚至敏捷的无脊椎动物，如卤虾和被称为桡足类的微小甲壳类动物。

颤振也会在喙周围产生漩涡。奥尔特加·希门尼斯发现，在这种情况下，火烈鸟保持其上喙静止，尽管它能够独立运动，并且只移动下喙——在喋喋不休的过程中每秒大约移动12次。

该论文的合著者、KSU Marrieta的教授Tien Yee利用计算流体动力学在计算机上模拟了喙和脚周围的3D流动。他证实，漩涡确实会聚集颗粒，类似于在水槽中使用3D打印头进行的实验，水槽中既有主动游泳的卤虾，也有被动漂浮的卤虾卵。奥尔特加·希门尼斯说：“我们观察到，当我们把一个3D打印的模型放在水槽里模拟我们所谓的撇食时，它们在喙的侧面产生对称的涡流，使水中的颗粒再循环，从而使它们真正进入喙中。”。“这是流体动力学的技巧。”

他的下一个项目是确定火烈鸟活塞状舌头的作用，以及喙的梳状边缘如何将猎物从盐水中过滤出来，有时是有毒的水。

“火烈鸟是过滤式喂养的超级专业动物，”他说。“不仅仅是头部，还有脖子、腿、脚以及它们用来有效捕捉这些微小而敏捷的生物的所有行为。”

除了Yee，该论文的其他合著者还有佐治亚理工学院的博士后研究员Pankaj Rohilla、研究生Benjamin Seleb和Saad Bhamla教授；田纳西州纳什维尔动物园的杰克·贝莱尔。p