Перо птицы под микроскопом. Ученые объяснили, почему самые черные в мире птицы такие черные

Американские ученые, заинтригованные глубокой черной окраской перьев некоторых видов райских птиц, изучили их строение под электронным микроскопом. Выяснилось, что черный цвет обусловлен не пигментами - меланинами - как это обычно бывает у птиц. Все дело в строении бородок пера, на концах которых есть «бахрома» из нановыростов. Такая структура отлично поглощает свет - до 99,95% видимого спектра, что и приводит к очень насыщенной черной окраске. По показателю поглощения перья райских птиц близки к Vantablack - самому черному из известных материалов.

В живой природе цвет может формироваться двумя способами - пигментным и структурным. В первом случае он возникает благодаря специальным молекулам - пигментам, которые избирательно поглощают, отражают или испускают свет с определенной длиной волны. Во втором случае цвет зависит от структуры поверхности, на которую падает свет и которая его избирательно поглощает и/или отражает. Подробно о структурной окраске рассказано в статье Т. Романовской . Частный вариант структурной окраски - структурная абсорбция, то есть поглощение света поверхностью. Если таким образом поглощается весь или почти весь видимый спектр, получается черная окраска.

Черное оперение птиц

У большинства птиц черный цвет оперения обусловлен пигментами — меланинами . Они отвечают за черноту хорошо известных нам птиц — ворон, грачей, черных дроздов и др. Кроме того, у некоторых птиц из-за правильно упорядоченных волокон верхнего слоя кератина возникает иридесценция (вариант структурной окраски). Иридесценция выражается в радужных переливах и/или металлическом блеске.

«Элементы» уже о необычном поведении самцов чудесной райской птицы. Ухаживая за самкой, самец складывает крылья и растопыривает перья так, что перестает вообще быть похожим на птицу (рис. 1, g)! Опытные наблюдатели заметили еще одну особенность этого и ряда других видов райских птиц (семейство Paradisaeidae). Черный цвет их оперения визуально кажется темнее (чернее), чем черное оперение других птиц (рис. 1). Недавно группа ученых из США подтвердила это наблюдение и, главное, разобралась, как возникает этот эффект. Для этого исследователи изучили черные перья семи видов (все они изображены на рис. 1) - шести видов райских птиц и одного вида - мелампитты - из близкого семейства (Melampittidae). У мелампитты и райской вороны черная окраска обусловлена меланинами, то есть их черный цвет - вполне обычный. А у остальных участвовавших в исследовании райских птиц есть «суперчерные» партии оперения. Как правило, они используются в брачных демонстрациях. У некоторых видов, например, у чудесной райской птицы, наряду с суперчерными, есть и обычные меланиновые черные перья. Они расположены на спине и при токовании самец самке их специально не демонстрирует. Ученые изучили не только суперчерные перья этого вида, но и обычные, взятые со спины.

Для начала перья изучали с помощью спектрофотометра и дейтерий-галогенового источника света DH-2000-BAL фирмы Ocean Optics. Этот источник, благодаря дейтериевой и галогеновой лампам, а также специальным фильтрам, может, в частности, давать на выходе свет заданной интенсивности, в составе которого в равной степени представлен весь видимый спектр. Это позволяет избежать искажений в спектрах изучаемых образцов, поскольку они освещаются сбалансированным световым пучком.

Спектрофотометрия показала, что суперчерное оперение отражает всего 0,05–0,31% света (то есть поглощает до 99,95% видимого спектра). А обычные черные перья (райской вороны, мелампитты, и те, что были взяты со спины чудесной райской птицы) отражают на один, а то и на два порядка больше: 3,2–4,7% излучения (рис. 2).

Эти значения говорят о том, что светопоглощательная способность суперчерных перьев райских птиц приближается к искусственным материалам с очень высокой степенью поглощения. Так, самый черный на сегодня материал - - поглощает 99,965% видимого света. Vantablack состоит из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, а поглощение происходит за счет того, что свет проникает внутрь материала, где происходит многократное отражение от стенок нанотрубок.

Помимо перьев райских птиц хорошо поглощают свет крылья некоторых бабочек. Поглощая до 98-99% видимого света, она также выглядят очень черными. Это связано с особой микроструктурой чешуек. (Напомним, что крылья бабочек покрыты маленькими чешуйками, налегающими одна на другую по принципу черепицы.) Суперчерные чешуйки самца бабочки Troides aeacus из семейства парусников (Papilionidae, рис. а) состоят из верхней антибликовой части и тонкой пленки под ней. Верхняя часть состоит из равномерно распределенных Λ-образных гребней. Гребни соединены между собой перемычками — жилками. В результате образуется решетка с продолговатыми отверстиями размерами около 490×380 нм (и диагональю около 620 нм, рис. с-e).

Поскольку длина волны видимого света попадает в диапазон 380-780 нм, размеры отверстий позволяют проникать в них большей части видимого света. Фотоны света «заходят» в отверстия и многократно отражаются от них. Свет с большей длиной волны отражается в основном от гребней, так как внутрь отверстий пройти не может. Многократное отражение приводит к поглощению света — так же, как и в случае Vantablack.

Чтобы разобраться с необычными особенностями черного оперения райских птиц, ученые использовали растровый электронный микроскоп. Как известно, перья птиц состоят из стержня, от которого отходят бородки первого порядка, от которых, в свою очередь, отходят бородки второго порядка (см. Стержень, бородки и крючки). Бородки первого и второго порядков располагаются более-менее в одной плоскости, формируя опахало пера.

Выяснилось, что суперчерные перья райских птиц имеют особое строение бородок второго порядка. Прежде всего, кончики бородок второго порядка расходятся на множество микровыростов, образующих бахрому (рис. 3). Есть и еще одна особенность: бородки второго порядка как бы приподняты над плоскостью, в которой находятся стержень пера и бородки первого порядка. В результате они формирую плотный (за счет микровыростов) слой, повернутый примерно на 30° в сторону кончика пера.

Слой крошечных нановыростов и ответственен за поглощение света. Дело в том, что сечение микровыростов меньше длины волны света. Это дает возможность свету проникать внутрь пера. Таким образом, часть попадающего на перо света поглощается, а часть проникает внутрь, но почти ничего не отражается наружу. Внутри пера фотоны света снова отражаются, и часть их опять поглощается. За счет большого количества микровыростов происходит многократное отражение, и каждый раз какая-то часть света поглощается. Это и приводит в результате к тому, чтобы перо поглощает большую часть света. В целом, принцип поглощения тот же, что у материала Vantablack.

Благодаря такой структуре пера в общем-то неважно, какую пигментную окраску оно имеет. Ведь фактически весь свет все равно поглощается. Исследователи подтвердили это оригинальным способом: покрыли перья золотой пылью. Обычное черное перо мелапитты (черный цвет которого обусловлен меланинами) после этой операции стало золотым. А вот с суперчерным пером ничего не произошло: оно как было черным, поглощающим большую часть видимого света, так и осталось (рис. 4).

Интересно, что у райских птиц, как и у бабочек, суперчерные участки часто соседствуют с пятнами очень ярких цветов, как бы оттеняя их. На основе этого наблюдения ученые предположили, что суперчерный цвет возник, чтобы подчеркивать яркие партии оперения. А те, в свою очередь, могут играть роль в брачном поведении. Пока, впрочем, это только гипотеза.

Людмила Максимова
«Как устроены перья у птицы». Конспект опытно-экспериментальной деятельности с детьми старшего дошкольного возраста

Интеграция образовательных областей

Познание :

Установить связь между строением пера и образом жизни

Познакомить со строением махового и пухового пера

Сформировать представление о пагубном влиянии на водоплавоющих птиц загрязнение водоемов, рек, морей нефтью

Художественное слово :

Развивать у детей творческое воображение, умение видеть характерные признаки предметов, сравнивать их.

Здоровье + физическая культура :

Способствовать развитию мелкой и общей моторики

Предупреждать утомляемость детей.

Коммуникация + социализация :

Расширять эмоциональную сферу детей.

Сформировать умение взаимодействовать со взрослыми и детьми

Воспитывать доброжелательность, чувство сострадания к птицам , попавшим в беду.

Развивать самостоятельность.

Безопасность :

Соблюдать основы безопасности при организации опытов .

Методы и приемы :

Социоигровые ситуации

Художественное слово

Продуктивная деятельность

Опыты

Предварительная работа :

Игры «Опиши птицу »

Рассматривание иллюстраций

Рисование птиц

Лепка птиц

Организация развивающей среды :

1. Коробка для лабораторных исследований

2. Перья маховые , пуховые, крылья

4. Весы, молнии

5. Схемы пера, крыла, полета птиц , хвостов

6. Пипетки, емкость с водой, растительным маслом, бумажное крыло

7. Лупы, проволока, кисточки, салфетки

8. Ножницы, клеенка

10. Гуашь, силуэты птиц в полете

11. Цветные перья

1 часть. Вводная.

Воспитатель вносит коробку для лабораторных исследований (читает детям)

Как вы думаете, что находится в коробке (трясут, нюхают) . Загадываю загадку

«По лесу летало, в воде болтыхалось.

В воду упало и сухим стало»

Дети отгадывают – перо.

Открываю, показываю., да, это перо.

Чье это перо?

Как вы думаете какую роль играют перья для птиц . Давайте попробуем найти ответ.

Для этого нам надо пройти в лабораторию к профессору Знайке. (символ Сова) и исследовать как устроено перо .

Дети усаживаются за столами.

Чем отличаются птицы от животных ? Людей?

Они умеют летать.

Ставлю на доску схему оперения птиц .

Потому что вся птица покрыта огромным числом перьев . Птицы , единственные на земле имеющие перья .

А за счет чего летают птицы ?

У них есть крылья (схемы крыльев, полета)

Показ крыльев от разных птиц .

Одинаковые ли они? (птицы разных размеров , цвет пера разный)

А сейчас посмотрите на свои крылья, которые приготовил вам профессор Знайка для исследований.

Ищем отличия (цвет, различия)

Найдите самое длинное перо.

Это перо называется «маховое» . Эти перья расположены по краям крыльев.

Рассматриваем.

Потрогайте перо. Какое оно? (плотное, жесткое, большое)

Обследуем пальчиками.

Интересно, легкое оно или тяжелое?

Дети кладут на руку перо, на другую – камень.

Делают вывод – легкое.

Взвешиваем на весах – перо, камень, два пера.

Делаем вывод.

Подбросьте перо. Что вы видите?

Падает медленно, плавно кружась.

А за счет чего оно легкое? Стержень пустой.

Отрежьте край у пера – видим пустоту (можно попробовать вставить проволоку цветную, проверить пустоту.)

Вот почему оно легкое, стержень пустой. Помашите пером, что вы ощущаете?

Когда птица машет крыльями , перо эластично пружинит, не расцепляя волоски.

Давайте посмотрим перо (опахало) через лупу.

Видите на бороздках пера есть выступы и крючочки, которые прочно и легко соединяются, застегивая поверхность пера, а если они расцепляются, то птица клювом соединяет их .

(схема пера,)

Опыт с молнией .

Закрепляем, что это перо «маховое»

А какие перья лежат у вас ещё ?

Пуховое (маленькое, пушистое, тоненькое, волоски не сцепленные, стержень тоненький).

Накладываем и сравниваем с маховым (водим по руке – мягкое, пушистое)

Зачем такое перо птице ?

Пуховое перо служит птице для сохранения тепла. Находятся на туловище, голове, крыльях, лапах.

Интересно, какое перо легче – перовое или маховое?

Дуем – какое улетит быстрее – пуховое или маховое?

Находим пуховые перья на крыльях .

- Перья на хвосте называются «рулевые» . они помогают менять направление полета.

Схемы хвостов.

Так зачем птицам перья ?

Помогают взлететь, держаться на воздухе, предохраняют от ушибов, пересыхания, намокания.

А как вы думаете, почему у водоплавающих перья не намокают ? Потому что, у них есть специальная жировая железа и птицы сами клювом смазывают перья .

Давайте проведем эксперимент.

У вас бумажное перо, нанесем кисточкой на него жировую смазку (растительное масло, а теперь пипеткой капните воду. Вода скатывается, вот так и с перьев птиц не зря говорит пословица «Как с гуся вода» .

Ребята, а что может случиться с птицами , если произойдет непредвиденное загрязнение водоемов, рек, морей нефтью (это вязкое, густое, черное горючее) . Его перевозят на больших кораблях в емкостях и случаются аварии и нефть разливается по воде.

Они могут погибнуть (картинка)

Потому, что птицы попавшие в нефтяное пятно загрязняют себе перья . Они слипаются, теряют способность отталкивать воздух. И птицы погибают .

Проводим эксперимент.

Разливаем нефть в емкость с водой (растительное масло, покрашенное в черный цвет, бросаем перо)

Перо стало тяжелое, слиплись волоски.

Надо беречь природу, чтобы птицы не попадали в такую ситуацию.

А где в быту нам может пригодиться перо?

Раньше не было ручек, люди писали пером. (картинка)

Можно покрасить перья для поделок (показ цветных перьев ) .

Ими украшают шляпы, одежду.

Пуховыми перьями набивают подушки , одежда, куртки (легкие, теплые) .

А рисовать можно? Давайте попробуем.

Обводим силуэт птицы в полете (гуашью) .

О чем узнали мы сегодня в лаборатории профессора Знайки?

О том, как устроены птичьи перья и их назначение .

- Птицы каждый день заботятся о своих перьях , тщательно чистят свое оперение, удаляют чужеродные предметы, вытирают жир и периодически меняют лишнее перо.

О птицах много знаем мы ,

И в то же время мало,

И нужно всем : и вам и нам,

Чтоб их побольше стало.

Для этого побережем

Своих друзей пернатых,

Иначе, мы к нулю сведем

Певцов наших крылатых,

Съедят деревья и плоды

Личинки насекомых.

И поредеют все сады

Без наших птиц знакомых .

Теория эволюции учит, что птицы произошли от рептилий. Однако она не в состоянии объяснить колоссальную разницу между этими двумя классами живых существ. Птицы демонстрируют свойства, отличающиеся от рептилий: они имеют структуру скелета, состоящую из полых и чрезвычайно легких костей, имеют уникальную дыхательную систему и являются теплокровными созданиями. Еще одно уникальное различие, которое создает непреодолимую пропасть между птицами и рептилиями, - это перья.

Из эстетических качеств птиц перья являются самыми важными. Фраза «легок как перо» описывает совершенство сложной структуры пера.

Перья построены из протеинового вещества, называемого кератином. Кератин – это твердый и прочный материал, образующийся старыми клетками, которые мигрируют от питательных и кислородных источников в глубоких слоях кожи и умирают, чтобы уступить путь новым клеткам.

Дизайн перьев птицы настолько сложен, что эволюция просто не в состоянии объяснить его. Ученый Алан Федуччия говорит: «перья имеют почти магическую структурную сложность, обеспечивающую механическое и аэродинамическое совершенство, которое никогда не было достигнуто другими средствами». Федуччия признает, что «перья представляют собой идеальную адаптацию для полета», так как они легкие, сильные и аэродинамичные по форме, и имеют сложную систему бородок и крючочков.

Дизайн перьев заставил Дарвина задуматься. Более того, идеальные эстетические перья павлина оказывали на него удручающее воздействие (его собственные слова). В письме Аза Грэю от 3 Апреля 1860 он писал: «я хорошо помню время, когда мысль о глазе бросала меня в дрожь, но я преодолел эту фазу...» Потом он продолжил:

«... и теперь мелочные детали этой структуры заставляют меня ощущать дискомфорт. Вид перьев в хвосте павлина, каждый раз, когда я смотрю на него, удручает меня!»

Перья растут из полых цилиндричных структур кожи.

Конспект НОД в старшей группе

Тема: «Опыты и эксперименты с перьями птиц»

Задачи:

О.О. «Познавательное развитие»:

расширить и закрепить представления о птицах, о значении перьев в жизни птиц;

побуждать детей к выполнению элементарных опытов, развивать умение наблюдать и делать словесные выводы.

О.О. «Социально-коммуникативное развитие»:

продолжать учить детей взаимодействовать со сверстниками.

О.О. «Речевое развитие»:

упражнять в использовании сравнений, подборе определений и антонимов. расширить активный словарь детей («м а ховое», «пух о вое», «бор о дка»).

О.О.«Художественно-эстетическое развитие»:

учить создавать изображение увиденного;

развивать у детей интерес к музыке, желание слушать ее и подражать голосам птиц с помощью музыкальных произведений.

О.О.«Физическое развитие»:

развитие мелкой моторики рук

Материал для занятия:

Набор для исследования:(перья маховые и пуховые, камни, весы, молнии, пипетки, емкость с водой, растительным маслом, бумажное крыло, лупы, проволока, кисточки, салфетки, ножницы, клеенка). Микроскопы.

Орг. момент : дети заходят в группу и видят следы птиц

и перья. –

Кто оставил следы? (птицы)

Как догадались? (по следам и перьям)

Как мы называем птиц, которые зимуют у нас? А, которые прилетают и улетают от нас? Назовите перелетных, (зимующих) птиц.
Ребят, почему птицы улетают в тёплые края.

Какие птицы могли сегодня оставить следы и перья? (зимующие). Почему?

- Можно ли назвать птицами животных, которые ходят на двух ногах? (Нет. На двух ногах ходят и человек, а раньше ходили динозавры.)Почему?

Можно ли назвать птицами животных, которые питаются зернами? (Нет, зернами питаются многие животные – грызуны, лошади.)

Можно ли назвать птицами животных и насекомых, которые летают? (У которых есть крылья?) (Нет. Кроме птиц летают бабочки, жуки, комары, летучие мыши.)

Можно ли назвать птицами животных и насекомых, которые откладывают яйца? (нет. Кроме птиц откладывают яйца все насекомые, черви, черепахи, змеи)

Можно ли назвать птицами животных, у которых есть клюв? (Нет, клюв есть и у некоторых зверей, например у утконоса.)

Так что же такое есть у птиц, чего нет ни у каких других животных?

После некоторых раздумий дети самостоятельно приходят к выводу, что у названных видов животных нет перьев.

Правильно. Ведь у Птиц есть и второе название: Пернатые. Ни у кого, кроме птиц, перьев нет.

Это отличает их от остальных животных и насекомых. (Перья)

А вот какие перья интересные, какие разные, предлагаю их исследовать в нашей лаборатории.

Основная часть.

Опыт №1. - Потрогайте перо. Какое оно? (плотное, жесткое, большое) - Интересно, легкое оно или тяжелое? Дети кладут на одну руку перо, на другую – камень (легкое).

Опыт №2 Подбросьте перо. Что вы видите? (падает медленно, плавно кружась). - А за счет чего оно легкое? (стержень пустой)

Опыт №3 Отрежьте край у пера – видим пустоту (можно попробовать вставить проволоку цветную, проверить пустоту.)

Вот почему оно легкое, стержень пустой.

Опыт №4 «Как устроено перо»

Помашите пером, что вы ощущаете? (Воздух) - Когда птица машет крыльями, перо эластично пружинит, не расцепляя волоски. Эти перья называются маховыми.

Давайте рассмотрим перо под микроскопом.

Видите, под микроскопом, мы обнаруживаем потрясающее зрелище.

Воспитатель предлагает картинку с изображением пера под микроскопом.

Как мы все знаем, посреди пера идет стержень. Очень много маленьких бородок выходят из каждой стороны стержня. Бородки различной мягкости и размеров. Более того, к каждой бородке присоединены огромное количество маленьких-маленьких бор о дочек, которые можно увидеть только под микроскопом. Эти бородочки сцепляются вместе посредством крючочков. Крючки легко соединяются, застегивая поверхность пера, а если они расцепляются, то птица клювом соединяет их.

Повторный просмотр пера по микроскопом, сравнение увиденного на картинке с изображением в микроскопе.

Когда - то это увидели очень внимательные люди и изобрели замок-молнию.

Опыт № 5 с молнией и с маховым пером.

А какие перья лежат у вас ещё?

Пух о вые (маленькие, пушистые, тоненькие, волоски не сцепленные, стержень тоненький) .

Сравнение перьев

Накладываем пух о вое перо на м а ховое и сравниваем по величине. Какое больше?

Затем водим пуховым пером по руке – мягкое, пушистое. -Как вы думаете, зачем такое перо птице? (Пуховое перо служит птице для сохранения тепла. Находятся на туловище, голове, крыльях, лапах).

Интересно, какое перо легче – пуховое или маховое? «Взвешать» на ладонях, затем подуть на перья. (Дети дуют – какое улетит дальше – пуховое или маховое?)

А как вы думаете, почему у водоплавающих перья не намокают? Потому что, у них есть специальная жировая железа и птицы сами клювом смазывают перья.

Давайте проведем эксперимент.

Опыт №6

У вас маховое перо капните на него воду. Вода скатывается, вот так с перьев птиц. Не зря говорит пословица «Как с гуся вода». Вот поэтому перья не намокают!

О чем узнали мы сегодня в лаборатории? - О том, как устроены птичьи перья и их назначение. Исследовав перья в нашей лаборатории, мы можем сделать вывод - зачем птицам перья? (Помогают птице взлететь, держаться на воздухе, предохраняют от намокания, греют)

Птицы каждый день заботятся о своих перьях, тщательно чистят свое оперение, удаляют грязь.

Сейчас я расскажу вам что-то интересное. Давным-давно люди писали перьями, потому что не было тогда карандашей и т.д..

Давайте и мы попробуем сделать это: нарисуем бородки на перьях пером.

Заключение: Сегодня мы провели много экспериментов с перьями. Много нового узнали о птицах. В следующий раз мы встретимся у птичьей кормушки и узнаем, чем более всего любят лакомиться птицы, которые остаются с нами на зиму.

Окраска птичьих перьев, крыльев бабочек и некоторых других естественных «украшений» не всегда обусловлена наличием специфических пигментов. Перламутровая, синяя, зеленая и некоторые другие краски птицам и чешуекрылым часто придает структура тканей, задающая диапазоны поглощения и отражения видимого света.

Структурой пера объясняется и глубокий черный цвет плюмажа некоторых райских птиц, выяснили авторы статьи , опубликованной в Nature Communications . Черные птицы, которых мы видим в российских городах — вороны и галки — не такие уж черные: они отливают то серым, то синим. А вот оперение некоторых видов райских птиц, гнездящихся в Новой Зеландии (Astrapia stephaniae , Seleucidis melanoleucus , Ptiloris paradiseu , Parotia wahnesi и Lophorina superba ) по черноте приближаются к искусственной краске Vantablack: они поглощают от 99,96 до 99,95% видимого света. Для сравнения, Vantablack поглощает 99,965% видимого света.

Низкая отражающая способность перьев делает этих птиц как будто плоскими: особенно странно это выглядит, когда самец L. superba исполняет перед самкой брачный танец. Как видно на фотографии, в некоторые моменты этого танца самец превращается в совершенно плоскую черную фигуру с лазоревым узором:

Очень черные райские птицы

Ученые рассмотрели перья очень черных райских птиц под растровым электронным микроскопом и смоделировали их строение с помощью компьютерной томографии, а также проследили траекторию распространения луча, падающего на перо.

Контурные перья большинства птиц состоят из стержня, покрытого бородками, к которым в свою очередь крепятся бородочки, покрытые крючками, которые служат для сцепления бородочек и фиксации формы пера. У черных райских птиц геометрия крючков такова, что дает дополнительное рассеивание света, и, как следствие — более полное поглощение.

Dakota E. McCoy et al. Nature Communications, 2018 Слева — структура пера райской вороны (Lycocorax pyrrhopterus), черной не более, чем обычная ворона. Справа — перо паротии Ванеса (Parotia wahnesi), очень черной райской птицы.

Исследователи полагают, что чернота перьев развилась у райских птиц вследствие полового отбора; на фоне бархатистого глубокого черного яркие элементы их оперения выглядят более выигрышно и дают преимущество самцам с максимально черными перьями во время брачных ритуалов, которые у райских птиц всегда включают демонстрацию парадного плюмажа.

«Перья черных райских птиц очень жесткие и прочные, и сделаны из очень дешевого материала. Если нам удастся описать структуру перьев так, чтобы мы могли напечатать нечто подобное на 3D-принтере, я уверен, мы нашли бы применение такому материалу», — рассказывает в интервью Wired орнитолог из Калифорнийской академии наук Джек Дамбакер (Jack Dumbacher).