Использование тепловизионной камеры для измерения потерь тепла через пальто из птичьих перьев

Summary

Этот протокол описывает количественную оценку передачи тепла через образец птицы с плоской кожей с использованием тепловизионной камеры и ванны с горячей водой. Метод позволяет получить количественные, сравнительные данные о тепловых характеристиках перьевых покрытий разных видов с использованием высушенных образцов плоской кожи.

Abstract

Перья необходимы для изоляции и, следовательно, для стоимости терморегуляции у птиц. Существует надежная литература об энергетической стоимости терморегуляции у птиц в различных экологических условиях. Тем не менее, немногие исследования характеризуют вклад одних только перьев в терморегуляцию. Несколько предыдущих исследований установили методы измерения изоляционной ценности шкур животных, но они требуют разрушительных методов отбора проб, которые являются проблематичными для птиц, чьи перья неравномерно распределены по коже. Необходима дополнительная информация о 1) том, как вклад перьев в терморегуляцию варьируется как между видами, так и внутри них и 2) как перьевая шерсть может меняться в пространстве и времени. Здесь представлен метод быстрого и непосредственного измерения тепловых характеристик перьевых покрытий и кожи с использованием высушенных образцов цельной кожи без необходимости разрушения образца кожи. Этот метод изолирует и измеряет тепловой градиент на перьевой шерсти таким образом, что измерения потерь тепла и метаболических затрат у живых птиц, которые используют поведенческие и физиологические стратегии для терморегуляции, не могут. Метод использует тепловизионную камеру, которая позволяет быстро получать количественные тепловые данные для измерения потерь тепла от стабильного источника через кожу. Этот протокол легко может быть применен к различным исследовательским вопросам, применим к любым таксонам птиц и не требует уничтожения образца кожи. Наконец, это будет способствовать пониманию важности пассивной терморегуляции у птиц путем упрощения и ускорения сбора количественных данных.

Introduction

Перья являются определяющей характеристикой птиц и выполняют множество функций, одной из наиболее важных из которых является изоляция^1. Птицы имеют самую высокую среднюю температуру ядра среди всех групп позвоночных, а перья, изолируя их от изменений температуры окружающей среды, являются жизненно важной частью энергетического баланса, особенно в холодных средах^2. Несмотря на важность перьев, большая часть литературы об изменениях теплового состояния у птиц была сосредоточена на метаболических реакциях на изменение температуры, а не на функции перьев в качестве изоляции^{3,4,5,6,7,8,9,10} (для получения дополнительной информации см. Ward et al.) ^11,12,13. Однако сами перья могут варьироваться во времени, особях и видах.

Метод, представленный здесь, полезен для количественной оценки общей тепловой ценности только перьевой шерсти. Он устраняет смешанные факторы у живых птиц, такие как поведенческая терморегуляция¹ и различное количество изоляционного жира. Более широкое измерение тепловых характеристик перьевой шерсти необходимо для улучшения понимания того, как перья способствуют изоляции и как это варьируется между видами и внутри видов на протяжении всей истории жизни птицы и годового цикла.

Перья изолируют птиц, захватывая воздух как между кожей и перьями, так и внутри перьев, и они создают физический барьер для потери тепла^14. Перья состоят из центрального перьевого стержня, называемого рахисом, с выступами, называемыми барбусами^14. Барбулы представляют собой небольшие, вторичные выступы на барбусах, которые сцепляются с соседними колючками вместе, чтобы «застегнуть» перо и придать ему структуру. Кроме того, пуховые перья не имеют центрального рахиса и имеют мало барбул, поэтому образуют рыхлую, изолирующую массу колючек над кожей^14. Перьевые шерсти варьируются у разных видов^15,16,внутри видов^17,18и у сопоставимых особей^{2,19,20,21,22,23,24.} Тем не менее, существует мало количественной информации о том, как различия в количестве перьев, относительное обилие различных типов перьев на птице или изменения в количестве барбусов / барбул влияют на общие тепловые характеристики перьевой шерсти. Предыдущие исследования были сосредоточены на определении единого среднего значения изоляции и теплопроводности для данного вида^11,12,13.

Известно, что перьевая шерсть варьируется в зависимости от вида. Например, большинство птиц имеют различные участки кожи, из которых растут или не растут перья, называемые птерилами и аптериями, соответственно^14. Расположение птерил (иногда называемых «перьевыми трактами») варьируется в зависимости от вида и имеет некоторую ценность как таксономический характер^14. Однако некоторые птицы (т.е. ратиты и пингвины) утратили этот птерилез и имеют равномерное распределение перьев по всему телу^14. Кроме того, различные виды, особенно те, которые населяют разные среды, имеют разные пропорции перьевых типов^15. Например, птицы, населяющие более холодный климат, имеют больше пуховых перьев¹⁵ и контурных перьев с большей плюмулцевой частью^16, чем виды, населяющие более теплые среды.

Микроструктура некоторых типов перьев может также оказывать влияние на изоляцию по видам^25,26. Lei et al. сравнили микроструктуру контурных перьев многих китайских воробьев и обнаружили, что виды, населяющие более холодные среды, имеют более высокую долю плюмулевых барбусов в каждом контурном перье, более длинные барбулы, более высокую плотность узлов и более крупные узлы, чем виды, населяющие более теплые среды^25. D’alba et al. сравнили микроструктуру пуховых перьев обыкновенных эйдеров(Somateria mollissima)и серых гусей(Anser anser)и описали, как эти различия влияют как на когезивную способность перьев, так и на способность перьев задерживать воздух^26. Количественные сравнительные данные о том, как эти вариации оперения влияют на общие тепловые характеристики перьевой шерсти у разных видов, ограничены (для получения более подробной информации см. Taylor and Ward et al.) ^11,13.

В пределах вида тепловые характеристики перьевой шерсти могут варьироваться. Некоторые виды, такие как попугай-монах(Myiopsitta monachus)^17,населяют очень большие и разнообразные географические ареалы. Различные тепловые напряжения, создаваемые этими различными средами, могут влиять на перьевую шерсть птиц в пределах вида на региональном уровне, но в настоящее время нет данных по этой теме. Кроме того, Broggi et al. сравнили две популяции больших синиц(Parus major L.)в северном полушарии. Они продемонстрировали, что контурные перья более северной популяции были плотнее, но короче и менее пропорционально плюмулевыми, чем у более южной популяции. Однако эти различия исчезли, когда птицы из обеих популяций были выращенные в одном и том же месте^18.

Кроме того, Broggi et al. объяснили эти результаты как пластическую реакцию на различные тепловые условия, но они не измерили значения изоляции этих различных перьевых покрытий^18. Результаты также показывают, что плотность контурных перьев более важна для изоляции, чем доля перьевых барбусов в контурных перьях, но Broggi et al. предположили, что северные популяции могут быть не в состоянии производить оптимальные перья из-за отсутствия адекватных питательных веществ^18. Количественные измерения общих тепловых характеристик этих перьевых покрытий будут способствовать пониманию значимости различий в оперении.

Со временем перьевая шерсть отдельных птиц меняется. Не реже одного раза в год все птицы линяют (заменяют все перья)^19. С течением года перья становятся изношенными^2,20 и^{менее многочисленными 18,21,22,23.} Некоторые птицы линяют более одного раза в год, давая им несколько различных перьевых шерсти каждый год^19. Миддлтон показала, что американские щеголы(Spinus tristis),которые линяют два раза в год, имеют большее количество перьев и более высокую долю пуховых перьев в их основном оперении в зимние месяцы, чем в их альтернативном оперении в летние месяцы^24. Эти годовые различия в перьевой шерсти могут позволить птицам сохранять больше тепла в холодные периоды пассивно или пассивно сбрасывать больше тепла в теплое время года, но ни одно исследование не проверило это окончательно.

Хотя птицы терморегуляционно поведенчески^1,27 и могут метаболически акклиматизироваться к различным тепловым условиям^{3,4,5,6,7,8,9,10,26,}перья играют важную роль в терморегуляции, обеспечивая постоянный слой изоляции. Метод, описанный здесь, предназначен для ответа на вопросы только о перьевой шерсти и ее роли в пассивной терморегуляции (то есть, сколько тепла сохраняет живая птица, не изменяя свое поведение или метаболизм?) путем выделения перьев. Хотя активная и физиологическая терморегуляция экологически важна, также важно понимать, как одни только перья помогают в изоляции и как они влияют на потребность в активной поведенческой и физиологической терморегуляции.

Предыдущими исследованиями были установлены методы количественной оценки теплопроводности и теплоизоляции шкур животных^11,12,13,28. Способ, представленный здесь, является расширением метода «охраняемая конфорка»^11,12,13,28. Однако метод, описанный здесь, измеряет температуру на внешней границе перьевого покрытия с помощью тепловизионной камеры, а не термопар. Метод охраняемой горячей плиты дает очень точные оценки потока энергии через шкуру, но он требует строительства конфорки из нескольких материалов, некоторого знакомства с использованием термопар и термопил, а также разрушительного использования шкуры, которая должна быть разрезана на мелкие кусочки. Затем эти части смазываются для удаления воздуха между образцом и конфорочным устройством. За исключением немногих птиц, у которого отсутствуют аптерии (например, пингвины), вырезание небольших квадратов из птичьих шкур проблематично для сравнительных целей, поскольку расположение разреза оказывает большое влияние на количество перьев, фактически прикрепленных к коже (и переливающихся). Эта проблема усугубляется различиями между таксонами в наличии, размере и размещении ptyerlae^14.

Кроме того, хотя музейные образцы могут быть потенциально богатым ресурсом для оценки различий в изоляции среди птиц, в целом разрешение на разрезание и смазывание образцов кожи в научных коллекциях недостижимо. Кроме того, образцы, взятые из дикой природы для охраняемых измерений конфорки, не могут быть впоследствии использованы в качестве музейных образцов. Представленный здесь способ отличается от метода охраняемой конфорки тем, что его можно использовать с целыми высушенными птичьими шкурами, без 1) требования уничтожения образца и 2) смазывания нижней стороны кожи. Он использует тепловизионные камеры, которые становятся все более доступными (хотя все еще относительно дорогими), точными и используются для измерения тепловых отношений живыми птицами.

Этот метод не измеряет поток энергии (и, следовательно, теплопроводность или значение изоляции) через кожу и перья непосредственно, как это делает метод охраняемой горячей плиты. Вместо этого он измеряет температуру на внешней границе перьевого пальто с помощью тепловизионной камеры. Результирующие значения представляют собой интегрированную меру тепла, пассивно теряемого через кожу, перья и воздух, захваченный между ними (по сравнению с источником тепла под ними). Образцы, подготовленные в виде плоской кожицы и измеренные с использованием описанной методики, могут храниться в коллекциях и бесконечно представлять ценность для будущих исследований. Этот метод обеспечивает стандартизированный, сопоставимый и относительно простой способ измерения тепловых характеристик перьевой шерсти в любом образце с плоской кожей, что особенно полезно при меж- и внутривидовых сравнениях.

Protocol

Эта работа не была связана с какой-либо работой с живыми животными и поэтому была освобождена от обзора ухода за животными. 1. Установка и материалы (рисунок 1) Если плоские шкуры интересующих видов недоступны, используйте протокол29 Спау для создания шку?…

Representative Results

Репрезентативные результаты из серии из одной особи каждого из пяти видов, измеренные при шести температурах, представлены на рисунках 4 и 5. Они показывают, что небольшие изменения в размещении кожи могут привести к изменениям в показаниях до 1,7 °C. <strong cla…

Discussion

В этой статье представлен протокол для повторяемых, стандартизированных тепловизионных измерений образцов птичьей плоской кожи. Этот метод позволяет сравнивать тепловые характеристики перьевой шерсти среди видов, внутри видов, между сопоставимыми особями и в разных местах на телах ?…

Materials

Aluminum Foil	Reynolds Wrap	109000831	30 square ft.; this exact model need not be used.
Foam Core Board	Foamular	20WE	1 in. x 4 ft. x 8 ft; this exact model need no be used.
General Purpose Water Bath	PolyScience	WB02	Ambiet +5 °C to 100 °C; ±.01 °C
PDF Data logger	Elitech	RC-51H	Built in temperature and humidity sensor
Plexiglass	AdirOffice	1212-3-C	Acrylic glass; 12 in. x 12 in. x 1/8 in.; this exact model need not be used.
Thermal Image Analysis Software	FLIR	ResearchIR Max v4.40.7.26 (64-bit)	Allows collection of precise, quantitative thermal data
Thermal Imaging Camera	FLIR	SC655	680×480-pixel resolution, ±2 °C or ±2% accuracy, 40 cm minimum focusing distance
Tripod	The Audubon Shop	The Birder Tripod with Manfrotto 700RC2 Rapid Release Head	65" maximum height; this exact model need not be used.