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.

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).

На вопрос как устроено перо? заданный автором Пользователь удален лучший ответ это Теория эволюции, утверждающая, что птицы развились от пресмыкающихся, никак не может объяснить огромные различия между этими двумя классами живых существ. Птицы своим скелетом, состоящим из полых и невесомых косточек, своей системой легких, своим теплокровным обменом веществ и прочими подобными особенностями очень сильно отличаются от пресмыкающихся. И еще одно свойство, создающее непреодолимую пропасть между птицами и пресмыкающимися, - это перья, свойственные только птицам.
Перья, в основе которых лежит белок, созданы из вещества под названием кератин. Кератин - это крепкий и прочный материал, образующийся в результате гибели старых клеток, которые находятся в нижнем слое кожной ткани и погибают, удаляясь от источников питания и кислорода и освобождая место молодым клеткам.
Птичьи перья задуманы настолько сложно, что это невозможно объяснить с помощью эволюционного процесса. Известный орнитолог Алан Федуччиа замечает: "Все отличительные черты пера заключаются в том, что оно имеет аэродинамические свойства. Перья легки, обладают силой подъема и с легкостью принимают прежнюю форму". А на неудачи теории эволюции Федуччиа реагирует следующим образом: "Я не могу понять, как такой орган, который был изначально задуман и спланирован для полета, мог появиться первоначально для других целей".
Это устройство пера заставляло и Дарвина задуматься. По его собственным словам, необыкновенная красота перьев павлина создавала ему головную боль. В письме своему другу Аса Грею от 3 апреля 1869 года Дарвин пишет следующее:
"Я охладел к собственной теории, потому что все время думаю о глазках на павлиньих перьях. Со временем я смирился с этой проблемой. В настоящее время меня сильно беспокоят некоторые устройства в природе, существования которых мы раньше не замечали. Я, например, прихожу в смятение, когда вижу перо павлина.
ПЕРЬЯ И КРЮЧКИ
Если рассмотреть перо птицы под микроскопом, станет понятно, насколько необыкновенно оно задумано и исполнено. Посередине находится всем известная длинная и твердая трубка. А по обеим сторонам этой трубки расположены сотни маленьких перышек. Именно различная степень мягкости и многообразные размеры этих перышек лежат в основе аэродинамических свойств птицы. Однако, что самое интересное, на каждом из перышек находятся еще более маленькие и невидимые глазу ворсинки, именуемые пушком. На этом пушке находятся маленькие зацепки-крючки. Благодаря этим зацепкам каждая пушинка как бы связана друг с другом застежкой-молнией. Чтобы лучше исследовать это великолепное творение, рассмотрим журавлиное перо. В одном пере насчитывается 650 тоненьких перышек по обеим сторонам трубки, и на каждом из этих перышек беспорядочно расположено 600 пушинок. Все эти пушинки связаны друг с другом с помощью 390 крючочков. А крючки скреплены по обеим сторонам, как в молнии. Пушинки настолько плотно прижаты друг к другу этими крючками, что даже не пропускают воздух. Если крючки каким-либо образом отделятся друг от друга, то птице достаточно лишь встряхнуться или в худшем случае почистить перья клювом, чтобы вернуть их в прежнее состояние.
Кроме того, птицы, распушая перья, не дают снизиться температуре тела. В жаркую же погоду перья, плотно прижатые к телу, не пропускают жару.

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 лёгких костей, имеют уникальную дыхательную систему и являются теплокровными созданиями. Ещё одно уникальное различие, которое создаёт непреодолимую пропасть между птицами и рептилиями, - это перья.

Фраза «лёгок, как перо» описывает совершенство сложной структуры пера. Дизайн перьев птицы настолько сложен, что эволюция просто не в состоянии объяснить его. Учёный Алан Федуччия говорит, что перья имеют «структурную сложность, обеспечивающую механическое и аэродинамическое совершенство, которое никогда не было достигнуто другими средствами».

Дизайн перьев заставил Дарвина задуматься. Более того, идеальные эстетические перья павлина оказывали на него, по его собственным словам, удручающее воздействие. В письме Аза Грэю от 3 апреля 1860 года 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!»

Исследуя перо птицы под микроскопом, мы обнаруживаем потрясающий дизайн. Как известно, посреди пера идёт стержень. Сотни маленьких бородок выходят из каждой стороны стержня. Бородки различной мягкости и размеров придают птице аэродинамическую природу. Более того, к каждой бородке присоединены тысячи бородочек, которые нельзя увидеть невооружённым глазом. Эти бородочки сцепляются вместе посредством крючочков.

Крючочки сцепляются вместе, как застежка «молния». Эти бородочки смыкаются настолько плотно, что даже дым, направленный на перо, не может пройти через него. Если крючочки отходят по какой-либо причине, птица легко может восстановить перья к их исходной форме, встряхивая себя или выравнивая перья клювом.

Чтобы выжить, птицы должны содержать перья в чистоте, хорошо ухоженными и всегда готовыми к полёту. Они используют выделяющую масло железу, которая находится в основании их хвостов для поддержания перьев в форме. С помощью этого масла они чистят свои перья. Это масло также обеспечивает водонепроницаемость, когда птицы плавают, ныряют или летят во время дождя.

В дополнение, в холодную погоду перья согревают птицу, предотвращая падение её температуры. В жаркую погоду перья прижимаются поближе к телу.

Даже поверхностное знакомство с такой уникальной системой, как перо птицы, позволяет сделать вывод о существовании Творца, Чей безграничный разум идеально спроектировал и вызвал к существованию окружающий мир.

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.