Usando uma câmera térmica para medir a perda de calor através de casacos de penas de pássaro

Summary

Este protocolo descreve a quantificação da transmissão de calor através de um espécime aviário de pele plana usando uma câmera térmica e banho de água quente. O método permite a obtenção de dados quantitativos e comparativos sobre o desempenho térmico de casacos de penas entre espécies usando amostras secas de pele plana.

Abstract

As penas são essenciais para o isolamento e, portanto, para o custo da termoregulação, nas aves. Há literatura robusta sobre o custo energético da termoregulação em aves em uma variedade de circunstâncias ecológicas. No entanto, poucos estudos caracterizam a contribuição das penas apenas para a termoregulação. Vários estudos anteriores estabeleceram métodos para medir o valor de isolamento das peles de animais, mas exigem métodos de amostragem destrutivos que são problemáticos para as aves, cujas penas não são distribuídas uniformemente pela pele. Mais informações são necessárias sobre 1) como a contribuição das penas para a termoregulação varia tanto entre as espécies quanto dentro das espécies e 2) como os casacos de penas podem mudar ao longo do espaço e do tempo. Relatado aqui é um método para medir de forma rápida e direta o desempenho térmico de casacos de penas e a pele usando amostras secas de pele inteira, sem a necessidade de destruir o espécime da pele. Este método isola e mede o gradiente térmico através de uma camada de penas de forma que as medidas de perda de calor e custo metabólico em aves vivas, que usam estratégias comportamentais e fisiológicas para termoregular, não podem. O método emprega uma câmera térmica, que permite a rápida coleta de dados térmicos quantitativos para medir a perda de calor de uma fonte estável através da pele. Este protocolo pode ser facilmente aplicado a várias questões de pesquisa, é aplicável a qualquer taxa aviária, e não requer destruição do espécime da pele. Por fim, aprofundará a compreensão da importância da termoregulação passiva nas aves, simplificando e acelerando a coleta de dados quantitativos.

Introduction

As penas são a característica definidora das aves e servem muitas funções, entre as mais cruciais sendo o isolamento¹. As aves têm as maiores temperaturas médias do núcleo de qualquer grupo de vertebrados, e as penas isolando-as das mudanças de temperatura ambiental são uma parte vital do equilíbrio energético, especialmente em ambientes frios². Apesar da importância das penas, a maioria da literatura sobre mudanças na condição térmica nas aves tem focado nas respostas metabólicas à variação da temperatura em vez da função das penas como isolamento^3,4,5,^6,7,8,9,10 (para maiores detalhes, consulte Ward et al.) ^11,12,13. No entanto, as penas em si podem variar ao longo do tempo, indivíduos e espécies.

O método aqui apresentado é útil para quantificar apenas o valor térmico total do casaco de penas. Remove fatores confusos em aves vivas, como termoregulação comportamental¹ e quantidades variadas de gordura isolante. Uma medição mais difundida do desempenho térmico dos casacos de penas é necessária para melhorar a compreensão de como as penas contribuem para o isolamento e como isso varia entre e dentro das espécies ao longo da história de vida e do ciclo anual de uma ave.

As penas isolam as aves prendendo o ar tanto entre a pele e as penas quanto dentro das penas, e criam uma barreira física para a perda de calor¹⁴. As penas consistem em um eixo central de penas, chamado rachis, com projeções chamadas farpas¹⁴. Os barbulos são pequenas projeções secundárias em farpas que se entrelaçam com farpas adjacentes para “fechar” a pena e dar-lhe estrutura. Além disso, as penas para baixo carecem de um rachis central e têm poucos bulos, formando assim uma massa solta e isolante de farpas sobre a pele¹⁴. As camadas de penas variam entre as espécies^15,16, dentro das espécies^17,18, e dentro dos indivíduos^{comparáveis 2,19,20,21,22,23,24}. No entanto, há pouca informação quantitativa sobre como variações no número de penas, a abundância relativa de diferentes tipos de penas em um pássaro, ou mudanças no número de farpas/barbulos afetam o desempenho térmico geral de um casaco de penas. Estudos anteriores se concentraram em determinar um único valor médio de isolamento e condutividade térmica para uma determinada espécie^11,12,13.

O casaco de penas é conhecido por variar entre as espécies. Por exemplo, a maioria das aves tem áreas distintas de pele das quais as penas crescem, ou não, chamadas de pterylae e apteria,^{respectivamente 14}. A colocação do pterylae (às vezes chamado de “tratos de penas”) varia entre as espécies e tem algum valor como caráter taxonômico¹⁴. No entanto, algumas aves (ou seja, ratites e pinguins) perderam essa pterylosis e têm uma distribuição uniforme de penas em todo o corpo¹⁴. Além disso, diferentes espécies, especialmente aquelas que habitam ambientes diferentes, possuem proporções diferentes dos tipos de penas¹⁵. Por exemplo, aves que habitam climas mais frios têm penas mais para baixo¹⁵ e penas de contorno com uma porção plumulaceous maior¹⁶ do que espécies que habitam ambientes mais quentes.

A microestrutura de certos tipos de penas também pode ter um efeito sobre o isolamento entre as espécies^25,26. Lei et al. compararam a microestrutura das penas de contorno de muitos pardais passantes chineses e descobriram que as espécies que habitam ambientes mais frios têm uma proporção maior de farpas plumurosas em cada pena de contorno, barras mais longas, maior densidade de nó e nódulos maiores do que espécies que habitam ambientes mais quentes²⁵. D’alba et al. comparou a microestrutura de penas para baixo de eiderscomuns (Somateria mollissima) e gansos de graylag(Anser anser) e descreveu como essas diferenças afetam tanto a capacidade coesa das penas quanto a capacidade das penas de prender o ar²⁶. Os dados comparativos quantitativos sobre como essas variações nas penas afetam o desempenho térmico geral da camada de penas entre as espécies são limitados (para mais detalhes, consulte Taylor e Ward et al.) ^11,13.

Dentro de uma espécie, o desempenho térmico do casaco de penas pode variar. Algumas espécies, como o periquito-monge(Myiopsitta monachus)¹⁷, habitam faixas geográficas muito grandes e diversas. As diferentes tensões térmicas colocadas por esses diferentes ambientes podem afetar as camadas de penas das aves dentro de uma espécie regionalmente, mas atualmente não há dados disponíveis sobre este tema. Além disso, Broggi et al. compararam duas populações de grandes tetas (Parus major L.) no hemisfério norte. Eles demonstraram que as penas de contorno da população mais ao norte eram mais densas, mas mais curtas e menos proporcionalmente depreciadas do que as da população mais sulista. No entanto, essas diferenças desapareceram quando aves de ambas as populações foram criadas no mesmo local¹⁸.

Além disso, Broggi et al. explicaram esses achados como uma resposta plástica às diferentes condições térmicas, mas não mediram os valores de isolamento desses diferentes casacos de penas¹⁸. Os resultados também sugerem que a densidade de penas de contorno é mais importante para o isolamento do que a proporção de farpas plumulaceous em penas de contorno, mas Broggi et al. sugeriram que as populações do norte podem ser incapazes de produzir penas ideais devido à falta de nutrientes adequados¹⁸. Medições quantitativas do desempenho térmico geral dessas camadas de penas aumentariam a compreensão da significância das diferenças de plumagem.

Com o tempo, as capas de penas de pássaros individuais variam. Pelo menos uma vez por ano, todas as aves molt (substituir todas as suas penas)¹⁹. Com o passar do ano, as penas passam a ser usadas^2,20 e menos numerosas^18,21,22,23. Alguns pássaros molt mais de uma vez por ano, dando-lhes vários casacos de penas distintas a cada ano¹⁹. Middleton mostrou que as goldfinchesamericanas (Spinus tristis),que se fundem duas vezes ao ano, têm um maior número de penas e maior proporção de penas caídas em sua plumagem básica nos meses de inverno do que em sua plumagem alternativa durante os meses de verão²⁴. Essas diferenças anuais na camada de penas podem permitir que as aves economizem mais calor durante períodos mais frios passivamente ou derramem mais calor passivamente durante as estações quentes, mas nenhum estudo testou isso conclusivamente.

Embora as aves se subormem comportamentalmente^1,27 e possam se aclimatar metabolicamente a diferentes condições térmicas^{3,4,5,6,7,8,9,10,26}, as penas desempenham um papel importante na termoregulação, fornecendo uma camada constante de isolamento. O método descrito aqui é projetado para responder perguntas apenas sobre o casaco de penas e seu papel na termoregulação passiva (ou seja, quanto calor um pássaro vivo retém sem modificar seu comportamento ou metabolismo?) isolando as penas. Embora a termoregulação ativa e fisiológica seja ecologicamente importante, também é importante entender como as penas sozinhas auxiliam no isolamento e como influenciam a necessidade de termoregulação comportamental e fisiológica ativa.

Estudos anteriores estabeleceram métodos para quantificar a condutividade térmica e o isolamento térmico das peles de animais^11,12,13,28. O método aqui apresentado é uma extensão do método “placa quente guardada”^11,12,13,28. No entanto, o método descrito aqui mede a temperatura no limite externo do casaco de penas usando uma câmera térmica, em vez de termopares. O método de placa quente guardada dá estimativas muito precisas de fluxo de energia através de uma pele, mas requer a construção de uma placa quente multimaterial, alguma familiaridade com o uso de termoparles e termeléques, e uso destrutivo de uma pele que deve ser cortada em pequenos pedaços. Essas peças são então untadas para eliminar o ar entre a amostra e o aparelho de placa quente. Com exceção das poucas aves que não possuem apteria (por exemplo, pinguins), cortar pequenos quadrados de peles de aves é problemático para fins comparativos, uma vez que a localização do corte tem grandes efeitos sobre o número de penas realmente ligadas (e sobrelvando) a pele. Esse problema é agravado pela variação entre os impostos na presença, tamanho e colocação do ptyerlae¹⁴.

Além disso, enquanto os espécimes de museus podem ser um recurso potencialmente rico para avaliar a variação do isolamento entre as aves, em geral, a permissão para cortar e lubrificar espécimes de pele em coleções científicas é inatingível. Além disso, espécimes retirados da natureza para medições de placas quentes guardadas não podem ser posteriormente usados como espécimes de museu. O método aqui apresentado difere do método de placa quente guardada na medida em que pode ser usado com peles inteiras de aves secas, sem 1) exigindo a destruição do espécime e 2) lubrificando a parte inferior da pele. Ele usa câmeras térmicas, que são cada vez mais acessíveis (embora ainda relativamente caras), precisas e usadas para medições de aves vivas de relações térmicas.

Este método não mede o fluxo de energia (e, portanto, o valor de condutividade térmica ou isolamento) através da pele e das penas diretamente como o método de placa quente guardado. Em vez disso, mede a temperatura no limite externo de um casaco de penas usando uma câmera térmica. Os valores resultantes representam uma medida integrada do calor perdido passivamente através da pele, penas e ar preso entre eles (em comparação com uma fonte de calor por baixo). Os espécimes preparados como peles planas e medidos usando a técnica descrita podem ser armazenados em coleções e, indefinidamente, fornecem valor para futuras pesquisas. Este método fornece uma maneira padronizada, comparável e relativamente simples de medir o desempenho térmico do casaco de penas em qualquer espécime de pele plana, que é especialmente útil em comparações inter e intraespecíficas.

Protocol

Este trabalho não envolveu nenhum trabalho com animais vivos e, portanto, foi isento de revisão de cuidados com animais. 1. Configuração e materiais (Figura 1) Se as peles planas da espécie de interesse não estiverem disponíveis, use o protocolo29 da Spaw para criar peles de espécimes frescos ou congelados. Preen penas em uma posição limpa, natural e seca para obter um peso constante antes de prosseguir com as medidas. Configure um banho de…

Representative Results

Os resultados representativos de uma série de um indivíduo de cada uma das cinco espécies, medidos a seis temperaturas, são apresentados na Figura 4 e Figura 5. Estes mostram que pequenas variações na colocação da pele podem resultar em variações nas leituras de até 1,7 °C. A Figura 4 mostra como o treinamento de um pesquisador aumenta a repetibilidade das medidas. Por exemplo, o mesmo pardal individual da casa (Pass…

Discussion

Este artigo fornece um protocolo para medições de imagem térmica repetíveis e padronizadas de amostras de pele plana aviária. Este método permite comparar o desempenho térmico da camada de penas entre espécies, dentro das espécies, entre indivíduos comparáveis, e em diferentes locais nos corpos dos indivíduos, tudo sem destruição do espécime.

A disponibilidade de materiais e equipamentos necessários pode ser uma limitação deste método. Embora as câmeras térmicas estejam ra…

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.