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紅外熱像儀檢測(cè)巨嘴鳥(niǎo)的熱交換輻射

研究者關(guān)注的巨嘴鳥(niǎo)是Ramphastos toco Muller,它是所有巨嘴鳥(niǎo)中具有最大喙子的。然而,至關(guān)重要的是,調(diào)節(jié)血流可以控制喙子的熱交換。研究者檢查了巨嘴鳥(niǎo)的喙子是否可以作為熱量散失的熱窗口,是否能夠在熱中性區(qū)域內(nèi)和上方打開(kāi)并閉合,以在較低溫度下保存新陳代謝的熱量。通過(guò)使用紅外熱像儀來(lái)研究環(huán)境溫度(Ta)的變化對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)身體不同部位的熱交換曲線的影響。

研究發(fā)現(xiàn),巨嘴鳥(niǎo)的喙子通過(guò)陡峭的個(gè)體發(fā)育而達(dá)到其非凡的大小,導(dǎo)致喙子的表面積比根據(jù)關(guān)系預(yù)測(cè)的表面積大25至40倍。此后,當(dāng)少年達(dá)到其成年體重的近80%時(shí),該喙子就顯示出更快的異速增長(zhǎng)。

紅外熱像儀下成年串子和標(biāo)本

圖為成人toco巨嘴鳥(niǎo)喙子和博物館標(biāo)本

 

通過(guò)紅外熱像儀技術(shù)觀測(cè)后,正如預(yù)期的那樣,羽毛覆蓋區(qū)域的溫度僅略高于環(huán)境溫度,并且僅在最低溫度下才發(fā)生顯著變化;眼睛區(qū)域的溫度幾乎保持恒定。相比之下,在所有紅外熱像儀技術(shù)下,巨嘴鳥(niǎo)的體溫均為38°至39°C。這表明不考慮紅外熱像儀技術(shù),連續(xù)血液流向眼睛周?chē)穆懵镀つw。近端和遠(yuǎn)端比羽毛區(qū)域變化更大,但主要趨勢(shì)是在近端區(qū)域(成年鳥(niǎo))中在20°至25°C之間出現(xiàn)較大的梯度,直到Ta高于25°時(shí),遠(yuǎn)端區(qū)域才表現(xiàn)出持續(xù)的擴(kuò)張。

因此,喙子的近端區(qū)域主要用于在較低的紅外熱像溫度(>16°至25°C)下散發(fā)熱量,并且隨著溫度的升高,遠(yuǎn)端區(qū)域開(kāi)始接收增加的血流量,開(kāi)始變暖,從而幫助禽類(lèi)應(yīng)對(duì)額外的熱負(fù)荷。根據(jù)熱敏窗的預(yù)期,喙子表面溫度的最大變化發(fā)生在巨嘴鳥(niǎo)的熱中性區(qū)(約18°至30°C)內(nèi)。這些結(jié)果表明,在巨嘴鳥(niǎo)中,對(duì)喙子表面進(jìn)行的血管舒縮調(diào)節(jié)具有溫度調(diào)節(jié)功能。此外,在低于約21°C的空氣溫度下,呼吸頻率和呼出的空氣溫度突然改變,會(huì)與喙子血管舒張的閾值平行。

巨嘴鳥(niǎo)在四個(gè)不同的Ta(15°,20°的表面溫差的溫度曲線

圖為巨嘴鳥(niǎo)在紅外熱像儀下兩個(gè)不同的Ta(15°,20°)的表面溫差的溫度曲線。

 

通過(guò)紅外熱像儀技術(shù)觀測(cè)后,當(dāng)代謝熱產(chǎn)生增加時(shí),喙子的非凡的熱交換能力也可能會(huì)發(fā)揮作用,例如在飛行過(guò)程中會(huì)發(fā)生熱量產(chǎn)生是靜止時(shí)的10到12倍時(shí)。對(duì)于一只鳥(niǎo),喙子溫度從約30°C到31°C開(kāi)始,在飛行4分鐘內(nèi)開(kāi)始升高,直到最終在第10分鐘達(dá)到最高37°C。當(dāng)熱量產(chǎn)生增加時(shí),喙子產(chǎn)生的熱量損失可能對(duì)于維持足夠的熱量平衡至關(guān)重要。

因此,即使是2個(gè)月大的巨嘴鳥(niǎo),喙子上的熱量損失也很高,即使在寒冷的天氣下也不能下調(diào)熱量。巨嘴鳥(niǎo)在出生頭3周內(nèi)保持盲目和裸露狀態(tài),在4周時(shí)開(kāi)始羽毛生長(zhǎng),僅在6周齡后才開(kāi)始羽絨。即使在亞熱帶氣候中,年輕的巨嘴鳥(niǎo)也將產(chǎn)生溫度調(diào)節(jié)成本,由于它們控制喙子熱交換的能力差而變得更具挑戰(zhàn)性。

巨嘴鳥(niǎo)在紅外熱像儀下四個(gè)不同的Ta(25°和35°C)的表面溫差的溫度曲線

圖為巨嘴鳥(niǎo)在兩個(gè)不同的Ta(25°和35°C)的表面溫差的溫度曲線。

 

通過(guò)紅外熱像儀技術(shù)觀察后成年喙子表面溫度的時(shí)間變化迅速且可逆,在幾分鐘之內(nèi)就發(fā)生了,這在研究者觀察鳥(niǎo)類(lèi)睡覺(jué)時(shí)最為明顯。隨著鳥(niǎo)類(lèi)開(kāi)始入睡,短暫的喙子血管舒張發(fā)生。由于鳥(niǎo)類(lèi)與大多數(shù)吸熱一樣,會(huì)在夜間睡眠過(guò)程中降低體溫,因此研究結(jié)果表明,隨著熱設(shè)定點(diǎn)的降低,巨嘴鳥(niǎo)有能力利用其喙子迅速排出體內(nèi)熱量。此外,還發(fā)現(xiàn),熟睡的禽鳥(niǎo)顯示出喙子表面溫度的瞬時(shí)變化而沒(méi)有覺(jué)醒的跡象,這表明與體溫調(diào)節(jié)狀態(tài)變化相關(guān)的睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

最終結(jié)果表明,在理解巨嘴鳥(niǎo)的分布,生態(tài)和行為時(shí),應(yīng)考慮到熱交換的限制以及喙子作為體溫調(diào)節(jié)器官的潛在用途??紤]到喙子結(jié)構(gòu)的快速輻射和鳥(niǎo)類(lèi)喙形的多樣性,喙子熱損失造成的熱量限制可能被證明是許多禽類(lèi)動(dòng)物的共同特征。

 

參考資料:

Glenn J. Tattersall, Denis V. Andrade, Augusto S. Abe. Heat Exchange from the Toucan Bill Reveals a Controllable Vascular Thermal Radiator. Science. 325:468-470, 2009.

 

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