Hầu hết các loài chim bay bằng cách dùng lực đẩy xuống dưới với mỗi nhịp vỗ cánh, lướt đi trong thời gian ngắn giữa các nhịp vỗ.

Khả năng bay lơ lửng không phải là sở trường của chúng — một con chim bình thường không thể giữ một vị trí cố định trên không quá một hoặc hai giây mà không bị mất độ cao.

Chim ruồi có thể làm điều đó liên tục. Chúng lơ lửng giữa không trung trước một bông hoa với vẻ thoải mái như thể một người đang tựa vào tường, thân thể hoàn toàn bất động trong khi đôi cánh chuyển động mờ ảo. Quan sát điều đó có cảm giác hơi phi thực, và sinh học đằng sau nó cũng ấn tượng không kém gì vẻ ngoài của nó.

Điểm khác biệt chính là chuyển động của cánh

Hầu hết các loài chim tạo ra lực nâng gần như hoàn toàn bằng nhịp đập xuống — nhịp đập lên chủ yếu là để phục hồi. Chim ruồi tạo ra lực nâng bằng cả hai nhịp. Cánh của chúng tạo thành hình số tám trong mỗi nhịp đập, có nghĩa là mọi phần của chu kỳ đập cánh đều góp phần giữ cho chim bay lơ lửng. Khớp cổ tay đóng vai trò trung tâm trong việc này: chim ruồi có thể xoay cánh của chúng gần 180 độ, lật chúng sao cho mép trước hướng về phía ngược lại trong nhịp đập lên. Cơ chế này gần giống với cơ chế của côn trùng hơn là của một loài chim thông thường.

Tốc độ vỗ cánh và sức mạnh cơ bắp

Tốc độ vỗ cánh giúp điều này trở nên phi thường. Tùy thuộc vào loài, chim ruồi vỗ cánh từ khoảng 40 đến 80 lần mỗi giây trong khi bay bình thường, một số loài nhỏ hơn thậm chí còn đạt tốc độ cao hơn trong những đợt ngắn. Tốc độ đó nhanh đến mức cánh trở nên vô hình về mặt thị giác — bạn chỉ thấy một vệt mờ và không gì hơn.

Để duy trì điều này, các cơ bay phải rất lớn so với kích thước cơ thể và có khả năng co bóp cực nhanh. Ở chim ruồi, cơ ngực — các cơ chịu trách nhiệm cho chuyển động của cánh — chiếm một phần đáng kể trong tổng khối lượng cơ thể của chim. Đây không chỉ là những cơ bắp mạnh mẽ; chúng còn được thích nghi đặc biệt để sử dụng liên tục với tần số cao theo cách mà hầu hết các cơ của chim không thể.

Chi phí trao đổi chất cho tất cả những điều này là rất lớn. Chim ruồi có tỷ lệ trao đổi chất trên khối lượng cơ thể cao nhất trong số tất cả các động vật có xương sống — lượng oxy tiêu thụ khi bay lơ lửng của chúng vào khoảng 700 mililit trên mỗi kilogram mỗi phút. Để dễ hình dung hơn, một con chim ruồi hút mật từ hoa đang hoạt động vất vả hơn, so với kích thước cơ thể của nó, so với hầu hết các loài động vật khác trên hành tinh trong suốt quá trình hoạt động liên tục.

Giữ vững vị trí

Tạo lực nâng là một thách thức. Giữ chính xác ở một vị trí lại là một thách thức khác. Một bông hoa khẽ lay động trong gió; chim ruồi điều chỉnh ngay lập tức và liên tục để duy trì vị trí của nó so với nguồn mật hoa. Điều này đòi hỏi sự điều chỉnh liên tục, theo thời gian thực về góc cánh, biên độ vỗ cánh và hướng cơ thể.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng chim ruồi phụ thuộc rất nhiều vào thông tin thị giác để ổn định khi bay lơ lửng. Não bộ của chúng xử lý thông tin chuyển động từ trường thị giác và sử dụng nó để thực hiện các điều chỉnh nhỏ trong khi bay — về cơ bản, chúng liên tục kiểm tra xem thế giới xung quanh có đang chuyển động hay không và điều chỉnh vị trí của mình cho phù hợp. Khi môi trường xung quanh chuyển động bất ngờ, sự ổn định khi bay lơ lửng sẽ bị phá vỡ, điều này cho các nhà nghiên cứu biết rằng thị giác là một công cụ ổn định chính chứ không chỉ là công cụ thứ cấp.

Hiệu quả đủ để tồn tại

Mặc dù việc bay lơ lửng tiêu tốn rất nhiều năng lượng, chim ruồi đã tiến hóa theo những cách giúp cho việc này khả thi về lâu dài. Chuyển động cánh hình số tám thực sự hiệu quả hơn vẻ ngoài của nó - bằng cách thu hồi năng lượng từ các xoáy nước mà cánh của chúng tạo ra trong không khí, chúng giảm công suất cần thiết để duy trì độ cao. Hiện tượng này, đôi khi được gọi là thu hồi luồng khí, cho phép chim lấy thêm một chút lực nâng từ luồng không khí hỗn loạn mà chính cánh của chúng đã làm xáo trộn.

Khi ngừng kiếm ăn và có thể nghỉ ngơi, chim ruồi có thể bước vào trạng thái ngủ đông - một trạng thái hoạt động trao đổi chất giảm mạnh, trong đó nhiệt độ cơ thể giảm và mức sử dụng năng lượng giảm xuống chỉ còn một phần nhỏ so với bình thường. Việc tiết kiệm năng lượng vào ban đêm này bù đắp cho nhu cầu năng lượng cao của việc bay lơ lửng vào ban ngày, cho phép một con chim đốt cháy calo với tốc độ đáng kể vẫn có thể quản lý ngân sách năng lượng của nó về lâu dài.

Toàn bộ hệ thống - cơ chế cánh, thiết kế cơ bắp, ổn định cảm giác và quản lý trao đổi chất - ăn khớp với nhau chính xác đến mức khó có thể tưởng tượng bất kỳ bộ phận nào hoạt động mà không có các bộ phận khác.

Chim ruồi là một ví dụ đáng kinh ngạc về sự chính xác của quá trình tiến hóa. Mọi bộ phận trên cơ thể chúng — từ cánh và cơ bắp đến hệ thống trao đổi chất và cảm giác — đều hoạt động hài hòa hoàn hảo để đạt được một kỳ tích dường như kỳ diệu. Nghiên cứu về chúng không chỉ khơi gợi sự kinh ngạc mà còn hé lộ những nguyên tắc cơ bản về khả năng bay và hiệu quả năng lượng trong tự nhiên.