Как с утки вода

На фото — селезень кряквы (Anas platyrhynchos) с мокрой головой после кормежки (утка в поисках корма погружает голову в воду). Капельки воды демонстрируют водоотталкивающие свойства оперения, которыми славятся водоплавающие птицы.

Раньше основную роль в обеспечении гидрофобности оперения приписывали маслянистому секрету копчиковой железы, которым птицы смазывают свои перья (см. задачу Удодова гигиена), однако исследования показали, что и без этого секрета перья ничуть не хуже отталкивают воду.

Всё дело в строении пера. От его стержня отходят бородки, а от них — бородочки, соединенные между собой крючками (см. картинку дня Стержень, бородки и крючки). Вместе они формируют сеть, в которой застревают пузырьки воздуха. Капля воды, поддерживаемая этой сетью, частично сидит на воздушных карманах. Этим и объясняется гидрофобность перьев большинства птиц, как наземных, так и водоплавающих. Кроме того, гидрофобность усиливает наноразмерная шероховатость поверхности каждой бородочки. Микроскопические выступы мешают капле смачивать поверхность из-за силы поверхностного натяжения, точно такой же принцип действует и у растений (см. картинку дня Эффект лотоса).

a — структура перьев с шеи кряквы в сканирующем электронном микроскопе. Вверху — ряды бородочек, в центре — шаг между сегментами бородочки, внизу — шероховатость поверхности бородочки. b — краевой угол капли воды на пере кряквы. Его значение (более 150 градусов) указывает на ультрагидрофобность поверхности. Фото из статьи T. Khudiyev, T. Dogan, M. Bayindi, 2014. Biomimicry of multifunctional nanostructures in the neck feathers of mallard (Anas platyrhynchos L.) drakes

Секрет копчиковой железы может влиять на гидрофобность путем поддержания упорядоченного расположения бородок и бородочек или повышения их эластичности и гибкости. Птицы тщательно ухаживают за своим оперением. Вам наверняка случалось наблюдать, как долго утки прихорашиваются на берегу, тщательно проходясь по оперению клювом, чтобы восстановить разорвавшиеся соединения между бородочками — примерно как мы застегиваем молнию или зип-пакет. Если вы проведёте по перу пальцами, вы получите тот же эффект — крючки одной бородки зацепятся за другую бородку, и структура пера восстановится. У перьев, которые легко намокают, например у пуха или специализированных влагоудерживающих перьев рябков (см. картинку дня Рябок-водонос), крючков нет.

Кряквы ухаживают за оперением. Слева — самка, справа — селезень. Фото Юлии Михневич, Москва, 2020 год

Водоотталкивающие свойства перьев отличаются у разных видов птиц в зависимости их образа жизни. У уток высокая плотность бородок и бородочек, высокий коэффициент перекрытия бородочек, что усиливает водоотталкивающие свойства их оперения. Промежутки настолько узкие, что вода не может в них проникнуть из-за силы поверхностного натяжения.

Часть пера обыкновенного канюка (слева) и утки шилохвости (справа) в сканирующем электронном микроскопе. Видно, что у утки выше плотность бородочек (barbule). Длина масштабного отрезка — 0,5 мм. Фото из статьи P. L. Pap et al., 2016. A phylogenetic comparative analysis reveals correlations between body feather structure and habitat

Кроме того, утки с помощью мышц, прикрепленных к стержню пера, удерживают перья вместе, создавая плотный водонепроницаемый барьер, защищающий от намокания пух и кожу.

Вода стекает с самки кряквы после выныривания. Фото Юлии Михневич, Москва, апрель 2018 года

А как обстоит дело с ныряющими птицами? Чтобы нырнуть, им будет мешать лишний воздух между перьями, но и сильно намокнуть нельзя, иначе замерзнешь. Большие бакланы (см. картинки дня Черные бакланы на белой иве и Суд над бакланом) с этим хорошо справляются: намокает у них только наружная часть пера, а центральная отталкивает воду, сохраняя прослойку воздуха и не позволяя телу переохладиться.

Строение пера баклана. Слева вверху показана гидрофобная центральная часть, где бородочки расположены плотно и перекрываются, образуя регулярную структуру. Внизу — рыхлая и неплотная промокаемая наружная часть пера. Стрелка указывает на границу между частями пера. Изображение из статьи D. Grémillet et al., 2004. Unusual feather structure allows partial plumage wettability in diving great cormorants Phalacrocorax carbo

У уток тоже не всё просто: радужные перья на шее селезней кряквы, переливающиеся зеленым и фиолетовым в зависимости от угла освещения, менее гидрофобны, чем остальные перья их тела. Обратите внимание, что часть перьев на шее птицы с главного фото уже намокла. Это связано с их особой структурой. Бородочки радужных перьев сплющены и закручены к поверхности пера, что увеличивает коэффициент отражения света, но также увеличивает площадь поверхности для адгезии воды. Из-за этого они не только больше намокают, но также хуже самоочищаются, поэтому утке приходится уделять этим перьям больше внимания. Обычно самоочищение происходит за счет того, что капли воды, скатываясь с перьев, уносят с собой поверхностные загрязнения.

A — второстепенное маховое перо селезня кряквы. B и C — изображения областей пера, выделенных белыми прямоугольниками, в сканирующем электронном микроскопе. B — нерадужный участок; C — радужный участок: видно, что бородочки уплощены. На врезках схематически показано поведение капли воды на данном участке. Длина масштабного отрезка — 100 мкм. Фото из статьи C. M. Eliason, M. D. Shawkey, 2011. Decreased hydrophobicity of iridescent feathers: a potential cost of shiny plumage

Так что красота и правда требует жертв.

Фото Юлии Михневич, Москва, апрель 2022 года.

Юлия Михневич