游隼與蜂鳥的生存決勝點:高速俯衝後爬升(stoop)

■鳥類在天空中由高往低處快速俯衝後爬升,彷彿在空中進行華麗的潛水特技;無論是對世界上飛行速度最快的游隼、還是世界上體型最小的蜂鳥而言,皆是與生存息息相關的重要策略。

游隼

撰文|莊宇真

●游隼的俯衝獵捕

游隼(peregrine falcon)屬於大型的日行性猛禽,牠們能夠適應多數氣候地型,分布很廣;不過1950-1970年代曾因DDT殺蟲劑的大量使用,導致蛋殼變薄而一度瀕臨絕種[1]。在台灣,隼屬於冬候鳥及過境鳥,喜歡棲息於開闊的草原、田地、海岸等區域[2,3]。

游隼被譽為空中速度最快的獵手,因此有些戰鬥機或重機就是以牠為名;當游隼俯衝捕捉獵物時,時速可超過每小時300公里。這樣的高速俯衝後爬升(stoop)策略,使游隼能出其不意地成功捕獲獵物。

不過,在如此高速前進的狀況下,有些問題必須要先解決。例如:湍急的風的氣流會使眼睛表面被快速蒸乾,面對這個挑戰,首先透過瞬膜(nictitating membrane)與沿瞬膜邊緣的類軟骨結締組織 – 邊緣褶(marginal plait)構造,迅速地將眼睛表面的異物掃入鼻淚管中。此外,除了一般的淚腺(lacrimal gland)之外,會再有一組瞬膜腺(Harderian gland)負責分泌黏稠的液體,確保游隼在俯衝時,仍能保有角膜的溼潤[4]。

像游隼這樣的猛禽,視網膜裡有兩個專為敏銳視覺所特化的區域:深中央窩(deep fovea)與淺中央窩(shallow fovea)。以頭部為軸心,深中央窩視覺可包辦左右各45度角的範圍,淺中央窩視覺則約為15度角。相較之下,深中央窩視覺有較高的敏銳度。由於猛禽類不會旋轉眼珠,因此可以觀察到牠們將頭部轉向左右兩側來使用深中央窩視覺。使用何種視覺區與距離有關,一般而言在8公尺以內的距離,猛禽傾向使用淺中央窩的直線視覺;21公尺以上,則傾向採用側向視覺。不過,若是像游隼以每小時超過300公里的高速俯衝,此時一點點的擺頭動作,都可能造成莫大的空氣阻力;因此,在衝向獵物的過程中,游隼以符合數學對數邏輯的「螺旋路徑」(spiral pathway)取代最短的直線路徑,距離雖然較長,但可在不用擺頭的狀況下,以深中央窩視覺緊緊盯住獵物,減少實際抵達獵物的時間與增加成功率[5]。

由於游隼俯衝時的速度如此驚人,想要在現實生活中對牠們進行研究是十分困難的;因此,來自英國的研究團隊嘗試使用3D模擬(3D simulations),透過讓電腦模擬游隼捕捉模擬獵物的方式,對游隼的獵捕策略進行分析。研究團隊發現,當椋鳥(獵物)直線飛行時,游隼以每小時150公里的速度俯衝會有最佳獵捕效果;而當椋鳥試圖逃脫,往不同方向飛行時,游隼的最佳獵捕速度則必須大幅提升,約以每小時360公里才能成功捕獲獵物。此研究於2018年4月12日刊登於PLOS Computational Biology[6]。

有些人可能會覺得,速度越快,應該會使游隼更不易隨獵物移動而調整方向;然而,事實剛好相反。游隼在較高的速度下反而有較佳的操綜表現,因為在此速度下能產生較大的轉向力(turning force),只有這樣才能贏過高度靈活的椋鳥。因此,高速俯衝不僅僅只是幫助游隼迅速壓制獵物,還有助於牠們改變方向。

●雄蜂鳥的俯衝求愛

在蜂鳥的世界裡,求偶時所比拼的,是雄蜂鳥的飛行速度。面對心儀的雌蜂鳥,雄蜂鳥會透過快速俯衝爬升、擺動尾巴羽毛來「唱」出求偶的頻率,雌蜂鳥則會站在樹梢「傾聽」這場演出,判斷這位追求者的速度是否夠快、值得讓自己託付終生。

為了獲取雌蜂鳥的青睞,雄蜂鳥必須設法讓自己「聽起來更快」。最近一項刊登於Current Biology[7]的研究發現,科氏蜂鳥(Costa's hummingbird;Calypte costae)的雄蜂鳥發展出有別於其他蜂鳥的競爭策略,藉此用更聰明的方法來吸引異性的注意力。

首先,雄性的科氏蜂鳥選擇在雌蜂鳥的側面進行俯衝,而非正面;之所以選擇這樣的飛行軌跡,可以將都卜勒效應[註]的影響減至最低,藉此讓雌蜂鳥較不容易判斷雄蜂鳥的速度。

[註]都卜勒效應:1842年由奧地利科學家都卜勒(Christian Doppler)所觀察到的現象,波源與觀察者之間有相對速度時,將會對頻率產生變化。常見的都卜勒效應例如:當救護車疾駛而過,接近我們時,警笛聲會變尖銳而細(波長變短、頻率變高),遠離時則逐漸低沉而粗[8]。

此外,雄性科氏蜂鳥在俯衝時,還會透過將單側尾巴羽毛朝向雌蜂鳥扭轉的方式,使聲音可以更有效地傳達到牠們的目標方向。研究團隊使用高速攝影機(high-speed cameras)與特製之風洞(wind tunnel)設備,藉以對雄性科氏蜂鳥所唱的「求偶之聲」進行評估。研究團隊發現,透過將單側尾巴羽毛朝向雌蜂鳥,雄性科氏蜂鳥可使聲音增加11分貝。

 

報導出處(游隼):Peregrine falcons maneuver best when dive-bombing at more than 300 kilometers per hour
報導出處(蜂鳥):Dive-bombing hummingbirds add a twist to impress mates

參考文獻:

  1. Peregrine falcon. Retrieved from https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/peregrine-falcon
  2. 行政院農業委員會特有生物保育中心。隼(遊隼、花梨隼)。取自https://tesri.tesri.gov.tw/show_wild.php?id=49
  3. 七星生態保育基金會。動物/遊隼。取自http://greenlife.7stareco.org.tw/eco_animal.aspx?ecoid=426
  4. Schwab IR & Maggs D. The falcon’s stoop. Br J Ophthalmol. 2004 Jan; 88(1): 4.
  5. Tucker VA. The deep fovea, sideways vision and spiral flight paths in raptors. J Exp Biol. 2000 Dec;203(Pt 24):3745-54.
  6. Mills R, Hildenbrandt H, Taylor GK, Hemelrijk CK. Physics-based simulations of aerial attacks by peregrine falcons reveal that stooping at high speed maximizes catch success against agile prey. PLoS Comput Biol. 2018 Apr 12;14(4):e1006044.
  7. Clark CJ & Mistick EA. Strategic Acoustic Control of a Hummingbird Courtship Dive. Current Biology (2018), https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.03.021
  8. 中興大學物理系。都卜勒效應(Doppler effect)。取自http://ezphysics.nchu.edu.tw/physiweb/device/exp10

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作者:莊宇真,畢業於交通大學科技法律研究所,現任生物醫學倫理領域專任研究助理。人生最樂之事莫過於找到自己的志業,寫作之於我正是如此。為城邦部落格《健康知心》之格主,擔任國內《熟年誌》雜誌醫藥新知特約作者。知識是觸角,讓人掌握世界;健康是財富,讓人享受人生。

 

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