Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Kuş Tüyü Paltolarla Isı Kaybını Ölçmek İçin Termal Kamera Kullanma

Published: June 17, 2020 doi: 10.3791/60981
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Ecology and Evolutionary Biology, University of Connecticut

Summary

Bu protokol, termal kamera ve sıcak su banyosu kullanarak düz tenli bir kuş örneği aracılığıyla ısı iletiminin nicelliğini açıklar. Yöntem, kurutulmuş düz cilt örnekleri kullanılarak türler arasında tüy kaplamalarının termal performansı hakkında nicel, karşılaştırmalı verilerin elde edİlmesine izin verir.

Abstract

Tüyler yalıtım için ve dolayısıyla kuşlarda termoregülasyon maliyeti için gereklidir. Çeşitli ekolojik koşullarda kuşlarda termoregülasyonun enerjik maliyeti hakkında sağlam bir literatür vardır. Bununla birlikte, çok az çalışma tüylerin tek başına termoregülasyona katkısını karakterize eder. Daha önceki birkaç çalışma, hayvan postlarının yalıtım değerini ölçmek için yöntemler oluşturmuştur, ancak tüyleri cilde eşit olarak dağıtılmayan kuşlar için sorunlu yıkıcı örnekleme yöntemleri gerektirir. 1) tüylerin termoregülasyona katkısının hem türler arasında hem de türler içinde nasıl değiştiği ve 2) tüy kaplamalarının uzay ve zaman içinde nasıl değişebileceği hakkında daha fazla bilgiye ihtiyaç vardır. Burada bildirilen, cilt örneğini yok etmeye gerek kalmadan, kurumuş tüm cilt örneklerini kullanarak tüy kaplamalarının ve cildin termal performansını hızlı ve doğrudan ölçmek için bir yöntemdir. Bu yöntem, bir tüy ceketi boyunca termal gradyanı, termogülasyon için davranışsal ve fizyolojik stratejiler kullanan canlı kuşlarda ısı kaybı ve metabolik maliyet ölçümlerinin yapamayacağı şekilde izole eder ve ölçer. Yöntem, cilt boyunca sabit bir kaynaktan ısı kaybını ölçmek için nicel termal verilerin hızlı bir şekilde toplanmasını sağlayan bir termal kamera kullanmaktadır. Bu protokol çeşitli araştırma sorularına kolayca uygulanabilir, herhangi bir kuş taksonu için geçerlidir ve cilt örneğinin yok edilmesini gerektirmez. Son olarak, nicel verilerin toplanmasını basitleştirerek ve hızlandırarak kuşlarda pasif termoregülasyonun öneminin anlaşılmasını daha da artıracaktır.

Introduction

Tüyler kuşların belirleyici özelliğidir ve en önemlileri arasında yalıtım1olmak üzere birçok işleve hizmet eder. Kuşlar herhangi bir omurgalı grubun en yüksek ortalama çekirdek sıcaklıklarına sahiptir ve onları çevresel sıcaklık değişimlerinden yalıtan tüyler, özellikle soğuk ortamlarda enerji dengesinin hayati bir parçasıdır2. Tüylerin önemine rağmen, kuşlarda termal durumdaki değişikliklerle ilgili literatürün çoğunluğu, tüylerin yalıtım 3 , 4 ,5 , 6 ,7,8,9,10 olarak işlevinden ziyade sıcaklık varyasyonuna metabolik tepkilere odaklanmıştır (daha fazla ayrıntı için Ward ve ark.) 11,12,13. Bununla birlikte, tüylerin kendileri zaman, bireyler ve türler arasında değişebilir.

Burada sunulan yöntem, tüy ceketinin genel termal değerini tek başına ölçmek için yararlıdır. Canlı kuşlarda davranışsal termoregülasyon1 ve değişen miktarlarda yalıtım yağı gibi şaşırtıcı faktörleri ortadan kaldırır. Tüy kaplamalarının termal performansının daha yaygın ölçümü, tüylerin yalıtıma nasıl katkıda bulunduğunu ve bunun bir kuşun yaşam tarihi ve yıllık döngüsü boyunca türler arasında ve içinde nasıl değiştiğini anlamak için gereklidir.

Tüyler, hem cilt ve tüyler arasında hem de tüylerin içinde havayı hapsederek kuşları yalıtır ve ısı kaybına fiziksel bir bariyer oluşturur14. Tüyler, diken14adı verilen projeksiyonlara sahip rachis adı verilen merkezi bir tüy şafttan oluşur. Barbules, tüyü "fermuarlamak" ve yapı vermek için bitişik dikenlerle birbirine kenetlenmiş dikenler üzerinde küçük, ikincil projeksiyonlardır. Ayrıca, aşağı tüyler merkezi bir rachis'ten yoksun ve az sayıda barbule sahiptir, bu nedenle cilt üzerinde gevşek, yalıtkan bir diken kütlesi oluşturur14. Tüy kaplamaları türler arasında değişir15,16, türler içinde17,18, ve karşılaştırılabilir bireyler içinde2,19,20,21,22,23,24. Bununla birlikte, tüy sayısındaki değişimlerin, bir kuş üzerindeki farklı tüy türlerinin göreceli bolluğunun veya diken / barbules sayısındaki değişikliklerin bir tüy ceketinin genel termal performansını nasıl etkilediği hakkında çok az nicel bilgi vardır. Önceki çalışmalar, belirli bir tür için tek bir yalıtım ve ısı iletkenliği değerini belirlemeye odaklanmıştır11,12,13.

Kuş tüyü ceketin türler arasında değiştiği bilinmektedir. Örneğin, çoğu kuş, tüylerin pterylae ve apteri adı verilen büyümediği farklı cilt alanlarına sahiptir, sırasıyla14. Pterylae'nin yerleşimi (bazen "tüy yolları" olarak da adlandırılır) türler arasında değişir ve taksonomik bir karakter olarak bazı değerlere sahiptir14. Bununla birlikte, bazı kuşlar (yani ratites ve penguenler) bu pterylosis'i kaybettiler ve vücut boyunca tek tip bir tüy dağılımına sahipler14. Ek olarak, farklı türler, özellikle farklı ortamlarda yaşayanlar, farklı tüy tiplerine sahiptir15. Örneğin, daha soğuk iklimlerde yaşayan kuşlar, daha sıcak ortamlarda yaşayan türlerden daha büyük bir tüylü bölüm16 ile daha fazla aşağıtüylere 15 ve kontur tüylerine sahiptir.

Belirli tüy türlerinin mikroyapısı, türler arasında yalıtım üzerinde de bir etkiye sahip olabilir25,26. Lei ve ark. birçok Çinli Passerine serçesinin kontur tüylerinin mikro yapısını karşılaştırdı ve daha soğuk ortamlarda yaşayan türlerin her kontur tüyünde daha yüksek oranda tüy dikeni, daha uzun barbullar, daha yüksek düğüm yoğunluğu ve daha sıcak ortamlarda yaşayan türlerden daha büyük düğümlere sahip olduğunu buldu25. D'alba ve ark. yaygın bayramcıların(Somateria mollissima)ve graylag kazlarının(Anser anser)aşağı tüylerinin mikro yapısını karşılaştırdı ve bu farklılıkların hem tüylerin yapışkan yeteneğini hem de tüylerin havayı hapsetme yeteneğini nasıl etkilediğini açıkladı26. Tüylemedeki bu varyasyonların tüy ceketinin türler arasındaki genel termal performansını nasıl etkilediğine dair nicel karşılaştırmalı veriler sınırlıdır (daha fazla ayrıntı için Taylor ve Ward ve ark.) 11,13.

Bir tür içinde, tüy ceketinin termal performansı değişebilir. Keşiş muhabbet kuşu (Myiopsitta monachus)17gibi bazı türler çok geniş ve çeşitli coğrafi aralıklarda yaşar. Bu farklı ortamların oluşturduğu farklı termal gerilimler, bölgesel olarak bir tür içindeki kuşların tüy katlarını etkileyebilir, ancak şu anda bu konuda mevcut bir veri yoktur. Ek olarak, Broggi ve arkadaşları kuzey yarımkürede iki büyük meme popülasyonu(Parus majör L.) karşılaştırdı. Daha kuzey popülasyonundaki kontur tüylerinin daha yoğun ama daha kısa ve daha az orantılı olarak daha güney nüfusununkinden daha dolgun olduğunu gösterdiler. Ancak, her iki popülasyondan kuşlar aynı yerde yetiştirildiğinde bu farklılıklar ortadan kalktı18.

Ayrıca, Broggi ve arkadaşları bu bulguları farklı termal koşullara plastik bir tepki olarak açıkladılar, ancak bu farklı tüy kaplamaların yalıtım değerlerini ölçmediler18. Sonuçlar ayrıca kontur tüyü yoğunluğunun yalıtım için kontur tüylerindeki tüylü dikenlerin oranından daha önemli olduğunu göstermektedir, ancak Broggi ve arkadaşları, kuzey popülasyonlarının yeterli besin eksikliği nedeniyle optimal tüyler üretemeyebileceğini öne sürmektedir18. Bu tüy kaplamalarının genel termal performansının nicel ölçümleri, tüy farklılıklarının öneminin anlaşılmasını daha da ileriye getirecektir.

Zamanla, bireysel kuşların tüy katları değişir. Yılda en az bir kez, tüm kuşlar erir (tüm tüylerini değiştirin)19. Yıl geçtikçe, tüyler 2,20ve daha az sayıda18 , 21,22,23. Bazı kuşlar yılda birden fazla kez erir, onlara her yıl birden fazla farklı tüy katları verir19. Middleton, yılda iki kez eriyen Amerikan saka kuşlarının(Spinus tristis),kış aylarında temel tüylerinde, yaz aylarında alternatif tüylerinde olduğundan daha fazla sayıda tüye ve daha yüksek oranda tüylü tüylere sahip olduğunu gösterdi24. Kuş tüyü ceketteki bu yıllık farklılıklar, kuşların daha soğuk dönemlerde pasif olarak daha fazla ısı tasarrufu yapmasına veya sıcak mevsimlerde pasif olarak daha fazla ısı dökmesine izin verebilir, ancak hiçbir çalışma bunu kesin olarak test etmemektedir.

Kuşlar davranışsal olarak1,27'yi termoregülasyona soksa ve metabolik olarak farklı termal koşullara alışabilse de3,4,5,6,7,8,9,10,26, tüyler sabit bir yalıtım tabakası sağlayarak termoregülasyonda önemli bir rol oynar. Burada açıklanan yöntem, tüyleri izole ederek tek başına tüy kaplaması ve pasif termoregülasyondaki rolü (yani, canlı bir kuş davranışını veya metabolizmasını değiştirmeden ne kadar ısı tutar?) hakkındaki soruları yanıtlamak için tasarlanmıştır. Aktif ve fizyolojik termoregülasyon ekolojik olarak önemli olmakla birlikte, tüylerin tek başına yalıtıma nasıl yardımcı olduğunu ve aktif davranışsal ve fizyolojik termoregülasyon ihtiyacını nasıl etkilediğini anlamak da önemlidir.

Önceki çalışmalar, hayvan postlarının ısı iletkenliğini ve ısı yalıtımını ölçmek için yöntemler oluşturmuştur11,12,13,28. Burada sunulan yöntem "korumalı sıcak plaka" yönteminin bir uzantısıdır11,12,13,28. Bununla birlikte, burada açıklanan yöntem, tüy kaplamanın dış sınırında sıcaklığı termokupllar yerine termal kamera kullanarak ölçer. Korumalı sıcak plaka yöntemi, bir pelt yoluyla enerji akışı hakkında çok kesin tahminler verir, ancak çok malzemeli bir sıcak plakanın yapımını, termokuplların ve termopilelerin kullanımına biraz aşinalık ve küçük parçalar halinde kesilmesi gereken bir pelt'in yıkıcı kullanımını gerektirir. Bu parçalar daha sonra numune ve sıcak plaka aparatı arasındaki havayı ortadan kaldırmak için yağlanır. Apteriadan yoksun birkaç kuş (örneğin penguenler) hariç, kuş derilerinden küçük kareler kesmek karşılaştırmalı amaçlar için sorunludur, çünkü kesimin yeri cilde gerçekten bağlı (ve aşırı) tüylerin sayısı üzerinde büyük etkilere sahiptir. Bu sorun, ptyerlae14'ünvarlığında, boyutunda ve yerleşiminde takson arasındaki değişim ile daha da şiddetlenir.

Ayrıca, müze örnekleri kuşlar arasındaki yalıtım varyasyonu değerlendirmek için potansiyel olarak zengin bir kaynak olabilirken, genel olarak, cilt örneklerini bilimsel koleksiyonlarda kesme ve yağlama iznine ulaşılamaz. Ayrıca, korumalı sıcak plaka ölçümleri için vahşi doğadan alınan örnekler daha sonra müze örnekleri olarak kullanılamaz. Burada sunulan yöntem, 1) numunenin yok edilmesini gerektirmeden ve 2) cildin altını yağlamadan, bütün kurutulmuş kuş derileri ile kullanılabilmesi için korunan sıcak plaka yönteminden farklıdır. Giderek daha uygun fiyatlı (hala nispeten pahalı olsa da) hassas ve termal ilişkilerin canlı kuş ölçümleri için kullanılan termal kameralar kullanır.

Bu yöntem, korunan sıcak plaka yönteminin yaptığı gibi doğrudan cilt ve tüylerden enerji akışını (ve dolayısıyla ısı iletkenliğini veya yalıtım değerini) ölçmez. Bunun yerine, termal kamera kullanarak bir tüy ceketinin dış sınırında sıcaklığı ölçer. Elde edilen değerler, aralarında sıkışan cilt, tüyler ve hava yoluyla pasif olarak kaybedilen ısının entegre bir ölçüsünü temsil eder (altındaki bir ısı kaynağına kıyasla). Düz deriler olarak hazırlanan ve açıklanan teknik kullanılarak ölçülen numuneler koleksiyonlarda saklanabilir ve gelecekteki araştırmalar için süresiz olarak değer sağlar. Bu yöntem, özellikle inter-and intra-specific karşılaştırmalarda yararlı olan herhangi bir düz tenli numunede tüy kaplama termal performansını ölçmek için standartlaştırılmış, karşılaştırılabilir ve nispeten basit bir yol sağlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bu çalışma canlı hayvanlarla herhangi bir çalışma içermedi ve bu nedenle hayvan bakım incelemesinden muaf tutuldu.

1. Kurulum ve malzemeler (Şekil 1)

  1. İlgi çekici türlerin düz derileri mevcut değilse, taze veya dondurulmuş örneklerden deriler oluşturmak için Spaw'ınprotokol 29'u kullanın. Ölçümlere devam etmeden önce sabit bir ağırlık elde etmek için tüyleri düzgün, doğal bir konuma getirin ve kurutun.
  2. Sabit sıcaklık sıcak su banyosu kurun.
    NOT: Bu kurulum oldukça uzundur, bu nedenle sıcak su banyoyu zemine yerleştirmek en kolayıdır.
  3. Sabit sıcaklık sıcak su banyosunun yüzeyine bir şeffaf akrilik cam tabakası (Malzeme Masası)yerleştirin. Cam, numuneyi ıslatmadan ısının cildin altına iletilmesine izin verir.
    NOT: Bu pilot çalışmada akrilik cam (kalın 0.125) tabakası kullanılmıştır. Camın kalınlığı, malzemenin30'unun etkinliğini etkilemez (her zaman 0,86 olacaktır), ancak camın yüzeyindeki mutlak sıcaklığı etkiler(yani, daha kalın cam daha düşük bir sıcaklığa neden olur). Bu nedenle, tüm ölçümler aynı kalınlıkte akrilik bir cam levha kullanılarak alınmalıdır.
  4. Akrilik camın üzerine dairesel delikli (0,5 çapında) bir köpük çekirdek kartı (1 kalın) yerleştirin.
    NOT: Kuşun büyüklüğü deliğin boyutunu ve böylece kaynaktan ısı alan kesintisiz tüylenme boyutunu yönlendirmelidir. Burada, 0,5 çapında bir delik kullanılır, çünkü bu boyut, meme tüyü yollarının altındaki ısıyı ortalamak için hala yeterince küçükken numuneye yeterli ısı iletimi elde edecek kadar büyüktür (en küçük olanlar hariç tüm kuşlar). Termal açıklığın boyutundan bağımsız olarak, her kuş için karşılaştırılabilir ve tekrarlanabilir bir değer elde etmek için, aynı boyutta deliklerle ölçümler yaptığından emin olun.
  5. Kameranın minimum odaklama mesafesindeki kurulumun hemen üstündeki bir tripoda termal kamera takın.
    NOT: Burada flir SC655 termal kamera kullanılır (680 px x 480 px çözünürlük, ±2 °C veya ±2% okuma doğruluğu, 40 cm minimum odaklama mesafesi). Diğer kameralar derece çözünürlüğünde farklılık gösterebilir.
  6. Termal kamera yazılımına aşağıdakileri girerek kamerayı kalibre ettinin:
    1. Kamera kalibrasyon yazılımında emisyon değeri 1,0 olarak ayarlanmış köpüğün üzerine alüminyum folyo (parlak taraf yukarı bakacak şekilde) yerleştirerek yansıyan sıcaklığı bulun. Termal görüntü alın. Alüminyum folyonun yüzeyindeki sıcaklık, odanın ortam sıcaklığına benzer olması gereken yansıyan sıcaklıktır.
    2. 31 olan emisyon değerini 0,95 olarak ayarlayın.
      NOT: 1) Emisyon, bir nesnenin32 yaydığı ve 0 ile 1 arasında değişen göreceli ısı miktarıdır. Yüksek emisyon değerine sahip bir nesne büyük miktarda ısı yayarken, düşük emisyon değerine sahip bir nesne az ısı yayar32. Bu değer tüylerin etkinliğini temsil eder. 2) Bu değer (0,95) ihtilaf edilir. Cossins ve Bowler, tüylerin 0.90-0.95 arasında bir emisyon değerine sahip olduğunu iddia etti, ancak hiçbir kanıt içermedi31. Hammel 0.98 değeri bildirdi, ancak bu değeri donmuş bir örnekten elde etti, bu yüzden doğru olmayabilir33. Kanıt eksikliğine rağmen, 0.95 emissivity termal kamera literatüründe en sık kullanılan değerdir (Cossins ve Bowler31tarafından kanıt olduğu gibi).
    3. Odadaki ortam sıcaklığının ve nemin sabit olduğundan emin olun. Bu değerler her ölçümden önce ölçülmeli ve kamera kalibrasyon yazılımında güncellenmelidir. Tüm kapalı odaların sıcaklığı ve nemi biraz dalgalanacaktır, bu nedenle bu değerlerin kaydedilmesi ve yazılımda güncellenmesi ölçüm hatasını azaltır.
      NOT: Burada FLIR ResearchIR Max yazılımı kullanılmaktadır. Bu yazılım tüm görüntüler için veri kaydetmez, bu nedenle her görüntü için tüm bu değerleri kaydetmek çok önemlidir.

2. Ölçümlerin performansı

  1. Sabit sıcaklık sıcak su banyosunun hedef sıcaklığa ayarla (40 °C, çoğu yoldan geçen kuşun ortalama iç çekirdek sıcaklığı için birproxy'dir) 34.
    NOT: Dinlenme çekirdeği sıcaklığı daha yüksek (örneğin sinek kuşları34)veya daha düşük (örneğin, penguenler34 veya ratites34,35)olan bir türleçalışıyorsanız,sıcak su banyosunu buna göre ayarlamak uygun olabilir. Şekil 3, akrilik camın yüzeyindeki sıcak su banyosunun sıcaklığı ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi gösterir (örneğin, düz cildin maruz kaldığı ısı kaynağının gerçek sıcaklığı).
    1. Bu protokolden elde edilen sonuçlar (bkz. Şekil 5),çeşitli sıcaklıklarda ölçüm elde etmenin termal performans farklılıkları hakkında da bilgilendirici olduğunu göstermektedir. Bunu gerçekleştirmek için, 30-55 °C arasında 5 °C artışlar kullanarak protokolü izleyin.
  2. Termal kamera yazılımında, ısının kaçtığı köpükteki deliğin üzerine bir daire /elips çizin. Bu, düz ciltteki doğru alanın ölçülmesini sağlamak için cildi köpüğün üzerine yerleştirirken bu bölgeyi görselleştirmeyi mümkün kılar.
  3. Düz cilt örneğini deliğin üzerinde ilgi alanı olan köpüğün üzerine yerleştirin.
    NOT: Burada, her kuşun göbek bölgesi ölçülür, çünkü kanat gibi vücudun diğer kısımları tarafından engellenmez ve kenar etkilerine maruz kalmayacak kadar merkezi bir konumda bulunur. Cildin ısı deliği üzerine yerleştirilmesi deneysel soruya göre değişecektir. Genel olarak, doğrudan bir tüy kanalının üzerine ve cilt kenarından mümkün olduğunca uzağa yerleştirilmesi önerilir. Cildi yerleştirirken tüyleri düzleştirmediğinizden veya düzensizleştirmediğinizden emin olun. Gerekirse, cilt yerleştirildikten sonra onları doğal bir konuma getirin.
  4. Cildin ısı kaynağına alışmasını sağlamak için 15 dakika bekleyin. Ölçümler çok erken yapılırsa, tüy kaplamanın yüzeyindeki sıcaklık değeri çok düşük olacaktır. Burada, cilt ve tüylerden sıcaklık iletimi 15 dakikada stabilize edildi, bu nedenle 15 dakikadan daha uzun süre beklemek yapay olarak yüksek bir sonuç vermeyecektir.
  5. Düz cildin termal görüntüsünü çekmek.
    1. Termal görüntüyü çekmeden önce emisyon değerini31 ile 0,95 arasında ayarlayın.
  6. Cildi köpükten çıkarın ve köpüğün üzerindeki düz cilt olmadan kurulumun termal görüntüsünü hemen alın. Bu, akrilik camın yüzeyindeki sıcaklığı ölçer ve ısı kaynağının alanını düz ciltteki ölçüm alanıyla kalibre eder.
    1. Burada30 kullanılan akrilik camın emisyonu 0.86'dır. Fotoğrafı cilt olmadan çekmeden önce bunu termal kamera yazılımına kaydettiğinizden emin olun.
      NOT: Sıcak su banyosu tarafından görüntülenen sıcaklık mutlaka akrilik camın yüzeyindeki sıcaklık değildir (Şekil 3), çünkü ısı iletkenliği mükemmel değildir. Camın sıcaklığını kullanmak, cildin alt tarafının ne kadar sıcak olduğunu tahmin etmedeki hataları azaltır ve bu nedenle cilt ve tüylerden ne kadar ısı kaybolduğunun birleşik bir tahminidir.
  7. Cildi aynı pozisyonda köpüğün üzerine geri yerleştirin. Toplam beş deneme için 2,5–2,6 adımlarını yineleyin.
    1. Numune derisini doğru yerleştirmek için, hedef ölçüm alanındaki tüylere tek parmak ucuyla hafifçe dokunun, ardından parmağı çıkarın ve termal görüntüyü görüntüleyin. Parmaktan kalan ısı, termal görüntüde kısa bir süre görünür kalacaktır. Örnekleme alanının, sıcak su banyosundan ciltten yayılan ısı alanını temsil eden yazılımda çizilen görünür daire içinde olduğundan emin olun. Değilse, cildi olana kadar hareket ettinin. Bu işlem Şekil 2'de gösterilmiştir.
      NOT: Taze deriler (mevcut olduğunda) canlı bir kuştaki cildin doğal termal performansını daha yakından temsil etse de, bu ölçümler için kuru derilerin kullanılması çok daha büyük bir numune havuzunda karşılaştırılabilir, tekrarlanabilir sonuçlar sağlar. Bu nedenle, tüm ölçümler ya sabit ağırlıkta kurutulmuş deriler kullanılarak ya da numunelerin hem taze hem de kurutulmuş cildinde alınmalıdır.

3. Termal görüntülerden veri toplama

  1. Her ölçüm iki termal görüntüden oluşur: biri düz cilt ve biri akrilik cam. İlk olarak, akrilik camın görüntüsünü açın. Yazılımda çizilen daireyi görüntüde görünen köpükteki delik ile hizalayın. Dairenin ortasına sıcaklık değerini kaydedin.
    NOT: Termal görüntülerden veri ayıklama hakkında daha fazlabilgi için, bkz.
    1. Kamerayı uygun değerlerle kalibre etmeyi unutmayın. Sıcaklığı30 ila 0,86 arasında ayarlayın ve ortam sıcaklığını ve nemi, sıcaklık değerini kaydetmeden önce laboratuvardaki mevcut koşullara uyacak şekilde ayarlayın.
  2. Düz cildin termal görüntüsünü açın. Daireyi hareket ettirmeden, dairenin ortasındaki sıcaklık değerini kaydedin.
    NOT: Daire görüntüye kaydedilmediğinden, dairenin yerleşimini bölüm 2.6'da çekilen akrilik camın görüntüsüyle kalibre etmek önemlidir.
    1. Kamerayı uygun değerlerle kalibre etmeyi unutmayın. Verimliliği31'den 0,95'e ayarlayın ve sıcaklık değerini kaydetmeden önce ortam sıcaklığını ve nemi laboratuvardaki mevcut koşullara ayarladığından emin olun.
  3. Tüm numunelerin tüm ölçümleri için 3.1–3.2 adımlarını tekrarlayın.

4. Termal performansın hesaplanması

  1. Tüy ceketinin yüzeyinin sıcaklığını akrilik camın sıcaklığından çıkarın. Bu değer tüy kaplama tarafından tutulan ısıyı temsil eder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Altı sıcaklıkta ölçülen beş türün her birinin bir bireyinden oluşan bir dizi temsili sonuç Şekil 4 ve Şekil 5'tesunulmuştur. Bunlar, cildin yerleşiminde küçük varyasyonların 1,7 °C'ye kadar olan okumalarda farklılıklara neden olabileceğini göstermektedir. Örneğin, aynı bireysel ev serçesi (Passer domesticus) deneyimsiz bir araştırmacı tarafından tek bir hedef sıcaklıkta beş kez ölçüldü (Şekil 4A). Farklı türlerin çeşitli örnekleri üzerinde eğitimden sonra, bir araştırmacı (J.G.) aynı örneği aynı hedef sıcaklıkta beş kez ölçtü (Şekil 4B). Akrilik camın sıcaklığı ile tüylerin yüzeyindeki sıcaklık arasındaki ilişkinin tahmini sadece küçük (ama belki de önemli) bir miktar değişti. Sonuç olarak, ölçümlerin tekrarlanabilirliği neredeyse dört kat değişti. Bu nedenle, ölçümler yakınsayana ve ölçümlerdeki değişim dengelenene kadar (yani, ek uygulama ile tekrarlanabilirlikte daha fazla iyileşme görülmeyene kadar) örnek olmayan bir ciltteki operatörler için tekrarlanan uygulama şiddetle tavsiye edilir. Bu, her numunede tekrarlanan önlemler (veya tekrarlanan önlemlerin ortalaması) üzerinde analizler yapmadan önce elde etmek önemlidir.

Şekil 5'te gösterilen veriler küçük bir pilot örneği temsil eder, ancak tüy ceketinin termal performansını ölçmek için bu yöntemin kuşların termal ekolojisi hakkında önemli bir fikir vermesinin muhtemel olduğunu göstermektedir. Ölçüm hatasını azaltmak için sadece bir araştırmacı (J.G.) ölçümleri eğitip aldı. Bu veriler listelenen türlerin her birinin sadece tek bir bireyini temsil etse de (ev serçesi, doğu phoebe [Sayornis phoebe], gri catbird [Dumetella carolinensis], doğu mavi kuşu [Sialia sialis] ve tufted titmouse [Baeolophus bicolor]), ortaya çıkan verilerin eğimlerindeki varyasyon, tüy paltolarının termal performansının bu bireyler arasında değiştiğini göstermektedir. Ayrıca, bu farklılıkların büyüklüğü, varyasyonun tür farklılıklarından kaynaklanabileceğini göstermektedir.

Ayrıca, tek bir eğitimli araştırmacının Şekil 5'tekitüm ölçümleri gerçekleştirdiği göz önüne alındığında, araştırmacı becerisi tek başına R2 değerlerindeki varyasyonu kontrol etmez. Örneğin, ev serçesinde, eğitimden sonra bile, doğu phoebe ve doğu mavi kuşuna kıyasla tekrar tekrar ölçüm elde etmek özellikle zordu (Şekil 4, Şekil 5). İkinci iki kuş da kuluçka yılı bireyleriydi. Bu nedenle, yaş sınıfları yalıtımlarının eşitliğini etkileyebilir (ancak, daha fazla çalışma yapmadan spekülasyon olsa da), ancak ölçüm için derilerinin yerleştirilmesinin ev serçesinden daha kolay tekrarlanmasını beklemek için bir neden yoktur. Bu nedenle, ev serçeslerindeki tüy katlarının bazı eksik anlaşılmış kalitesi daha fazla araştırma talep edebilir. Benzer şekilde, Şekil 5'teki çizgilerin eğimlerindeki değişim, termal performansın sıcaklık aralıkları arasında (örneğin, bir türün termonötral bölgesi) ölçülmesinin tek bir referans ısı seviyesi kullanmaktan daha biyolojik olarak bilgilendirici olabileceğini göstermektedir.

Figure 1
Şekil 1: Komple termal kamera ve sıcak su banyosu kurulumu şeması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: Aynı yerleşimi birden fazla denemede çoğaltmak için bir yöntemi temsil eden termal görüntüler. Elips, akrilik cam üzerindeki ısıtılmış alana zaten yerleştirilmiştir. Bu görüntüler elips değil, cildin hareketini gösteriyor. Tüy kaplamadaki hedef ölçüm alanına hafifçe ve kısa bir parmak ucuna dokunun. Parmak ucu ciltte birkaç saniye ısı izi bırakacaktır. (A) Gösterilen, elips dışındaki ısı işaretidir, yani hedef ölçüm alanı ısıya maruz kalmaz. Köpüğü veya akrilik camı hareket ettirmemeye dikkat etmek (bu, elipslerin ısıya maruz kalma alanını yanlış bir şekilde temsil etmesine neden olur), düz cildin yerleşimini ayarlayın ve hedef ölçüm alanına tekrar dokunun. Isı işareti elips içinde bulunana kadar(B)bu işleme devam edin. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Sıcak su banyosunun sıcaklığı (ekran okuma) ile akrilik cam yüzeyindeki sıcaklık (örneğin, düz cildin maruz kaldığı gerçek ısı kaynağı) arasındaki ilişki. Akrilik camın yüzeyindeki sıcaklığın, sıcak su banyosunun gösterdiği sıcaklıktan sürekli olarak biraz daha yüksek olduğu belirtilmelidir. Bu rakamı yalnızca bu ilişkiyi anlamak için kullanın ve her deneme için akrilik camın yüzeyindeki sıcaklığı her zaman ölçün (bölüm 2.6). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Tek bir kuşta bir tüy ceketinin yüzeyindeki sıcaklık ölçümlerinin tekrarlanabilirliğinde iyileşme. Bu değerler, ölçüm performansı için araştırmacı tarafından tekrarlanabilirlik eğitiminden sonra tek bir ev serçesinden (A) önce ve (B) elde edildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Beş kuş türünün tek örneklerinde akrilik cam yüzeyindeki sıcaklık ile tüy yüzeyindeki sıcaklık arasındaki ilişki. Herhangi bir tek grafikteki noktalar, aynı kişide altı farklı hedef sıcaklıkta tekrarlanan ölçümleri temsil eder. 40 °C referans ısıtma noktasındaki ölçümler benzer olsa da, bu hatların eğiminin değiştiği unutulmamalıdır. Bu, bu kuşlarda tüy kaplamalarının termal performansının farklı olduğunu göstermektedir (0'ın eğimi mükemmel bir yalıtkan ve eğimi 1 tamamen yalıtkan değildir). Ölçüm tekrarlanabilirliğinin farklılık gösterir olduğu da unutulmamalıdır. Araştırmacının ölçüm eğitiminden sonra bile, tekrarlanan önlemlerdeki fark ev serçesi için en yüksektir ve doğu phoebe ve doğu mavi kuşu için en düşüktür. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu makale, kuş düz cilt örneklerinin tekrarlanabilir, standartlaştırılmış termal görüntüleme ölçümleri için bir protokol sağlar. Bu yöntem, tüy ceketinin termal performansını türler arasında, türler içinde, karşılaştırılabilir bireyler arasında ve bireylerin vücutları üzerindeki farklı yerlerde, numunenin yok edilmeden karşılaştırılmasını mümkün kılar.

Gerekli malzeme ve ekipmanların mevcudiyeti bu yöntemin bir sınırlaması olabilir. Termal kameralar hızla daha erişilebilir ve uygun fiyatlı hale gelse de, araştırma sınıfı termal kameralar hala on binlerce dolara mal oluyor37. Bununla birlikte, termal kameralar biyolojide birçok pratik uygulama için kullanılabilir. McCaffery ekolojik soruları araştırmak için termal kameraların kullanılmasını savunuyor28. Termal kameralar özellikle uzun mesafeli ve istilacı olmayan araçlar oldukları için sahada serbest yaşayan organizmalar hakkında veri toplamak için yararlıdır. Burada sunulan yöntem, saha ve laboratuvar çalışmalarının aynı ekipmanlar tarafından gerçekleştirilen ölçümlerle entegrasyonunu mümkün kılar.

Burada kullanılanın dışında termal kamera yazılımının kullanılması bu protokolde değişiklik gerektirebilir, ancak bu tür değişiklikler yalnızca kurulum aşamasını etkiler (bölüm 1). Daha küçük kuşların çalışmaları veya daha büyük kuş türleri hakkında belirli sorular köpük tabakasında farklı boyutlarda delikler gerektirebilir.

Benzer şekilde, sıcak su banyosunun sıcaklığı (adım 2.1), amaç deneysel soruya doğrudan biyolojik ilgisi olan sıcaklıkları ölçmekse, daha yüksek veya daha düşük çekirdek sıcaklıklarına sahip bazı türler için modifikasyona ihtiyaç duyabilir. Genel olarak, çalışmalar genelinde 40 °C'de su banyosu sıcaklığı standardizasyonu, farklı türdeki sağlam tüylerin ve tüy yapılarının göreceli termal performansının karşılaştırmalı analizini kolaylaştıracaktır. Cilt ve tüyler arasındaki enerji akısının hassas ölçümü gerekiyorsa, korunan sıcak plaka yöntemi11 , 12,13,28 muhtemelen daha iyi bir yaklaşımdır, çünkü 1) ısı kaynağı ile cilt arasındaki havayı ortadan kaldırır ve 2) sıcaklığı doğrudan cildin iç yüzeyinde ölçer. Bununla birlikte, bu yöntem doğrudan enerji transferini ölçmez veya hesaplamaz, ancak tüm numunelerin hızlı ve tekrarlanabilir ölçümlerini kolaylaştırmak için tasarlanmıştır. Son olarak, sonuçlar tüylerin termal performansındaki değişim modellerini tespit etme konusunda geniş hassasiyet göstermektedir.

Bu yöntem, şu anda çoğu müze koleksiyonunda yaygın olarak bulunmayan düz kaplamalar kullanır. Çoğu doğal tarih koleksiyonunda bolca bulunan yuvarlak deriler, sökülürse, yumuşatılırsa, düzleştirilirse ve kırmızıya bürünmüşse bu yöntemle kullanılabilir. Ancak, küratörlerin çoğu durumda bu tür yeniden bağlamayı onaylaması olası değildir. Kuş tüylerinin termal değerlerinin karşılaştırmalı çalışmaları için kaynakları artırmak için, mümkün olduğunca çok türde düz deri yüzmenin yaygın olarak benimsenmesini savunuyoruz. Düz derilemenin ek faydaları, düz derilerin yuvarlak derilemenin yaptığı bir örneğin iskeletinin ve kaslarının kısmi yıkımını gerektirmemesi ve yuvarlak derilerin gerektirdiği alanda daha fazla sayıda düz deri depolanabilmesidir.

Belirli bir türün derilerinde, cildi her seferinde ısı deliğinin üzerinde aynı noktaya doğru bir şekilde yerleştirmek için bir teknik geliştirmek önemlidir. Burada elde edilen sonuçlar, tekniğin (adım 2.7'de açıklandığı gibi) ölçüm hatasını tek başına cilt yerleşiminde uygulamadan daha hızlı ve etkili bir şekilde en aza indirdiğini göstermektedir. Bununla birlikte, özellikle yoğun tüylerin (örneğin, penguenler11)ciltteki ısı deliklerini ve termal görüntüdeki tüyleri görselleştirmeyi mümkün kılmak için tüylerden yeterli ısıyı kaybetmeyebileceği akla yatkındır.

Çoğu kuş türünde pterylae varlığı nedeniyle, tüylerin bir numune üzerinde cilt üzerinde düzenlenmesi, tüy ceketi boyunca ısı transferi düzenini etkileyecektir. Bu nedenle, tüylerin canlı bir kuşta doğal konumlarına mümkün olduğunca yakın konumlandırılması önemlidir. Tüyleri düzgün, doğal bir konuma yerleştirmek, bir numunenin düz derisini yüzmek için protokolün son adımıdır29. Bu nedenle, numuneler uygun şekilde hazırlanırsa, tüy yerleşimi numuneler genelindeki türlere uygun olmalıdır. Tüylerin ptiloereksiyon miktarı, tüy ceketine yalıtım havası hapsederek tüy ceketinin termal performansını da etkileyecektir. Buna karşılık, düz derili örneklerde, tüyler ciltte düz uzanır29, bu nedenle ptiloerection tüm örnekler arasında etkili bir şekilde karşılaştırılabilir olmalıdır.

Bu çalışma kuşlara odaklansa da, bu yöntem memeli derileri için eşit derecede yararlı olabilir. Boonstra ve arkadaşları, kuş tüylerinin memeli kürklerinden daha yalıtkan olduğunu ileri sürse de, bu çalışma, karşılaştırılabilir vücut bölgelerinden kaçan ısının nicel bir ölçüsünden ziyade termal video39'un görsel analizine dayanan nitel bir değerlendirmeydi. Burada açıklanan yöntemin karşılaştırmalı termal araştırmaların genişlemesine katkıda bulunacağına ve tüyler40gibi termogülatör yapıların evrimi ve ekolojisi hakkında büyük bir fikir vereceğine inanılmaktadır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu araştırma kısmen Connecticut Üniversitesi Araştırma Danışma Konseyi Öğretim Üyesi M. Rubega'ya Büyük Hibe tarafından finanse edildi. K. Burgio, Mösyö Rubega'ya #1545458 Ulusal Bilim Vakfı NRT- IGE hibesinde desteklendi. Makale, iki isimsiz yorumcunun düşünceli geri bildirimleriyle önemli ölçüde geliştirilmiştir.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 680x480-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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Morris, D. The Feather Postures of Birds and the Problem of the Origin of Social Signals. Behaviour. 9, 75-111 (1956).
  2. Wetmore, A. A Study of the Body Temperature of Birds. Smithsonian Miscellaneous Collections. 72 (12), Smithsonian Institution. City of Washington. (1921).
  3. Hart, J. S. Seasonal Acclimatization in Four Species of Small Wild Birds. Physiological Zoology. 35 (3), 224-236 (1962).
  4. Veghte, J. H. Thermal and Metabolic Responses of the Gray Jay to Cold Stress. Physiological Zoology. 37 (3), 316-328 (1964).
  5. Brush, A. H. Energetics, Temperature Regulation and Circulation in Resting, Active and Defeathered California Quail, Lophortyx californicus. Comparative Biochemistry and Physiology. 15, 399-421 (1965).
  6. Dawson, W. R., Carey, C. Seasonal Acclimatization to Temperature in Cardueline Finches. Journal of Comparative Physiology. 112, 317-333 (1976).
  7. Cooper, S. J., Swanson, D. L. Seasonal Acclimatization of Thermoregulation in The Black-Capped Chickadee. The Condor. 96, 638-646 (1994).
  8. Bush, N. G., Brown, M., Downs, C. T. Seasonal Effects on Thermoregulatory Responses of the Rock Kestrel, Falco rupicolis. Journal of Thermal Biology. 33, 404-412 (2008).
  9. Nzama, S. N., Downs, C. T., Brown, M. Seasonal Variation in the Metabolism-Temperature Relation of House Sparrows (Passer domesticus) in KwaZulu-Natal, South Africa. Journal of Thermal Biology. 35, 100-104 (2010).
  10. Noakes, M. J., Wolf, B. O., McKechnie, A. E. Seasonal Metabolic Acclimatization Varies in Direction and Magnitude among Populations of an Afrotropical Passerine Bird. Physiological and Biochemical Zoology. 90 (2), 178-189 (2016).
  11. Taylor, J. R. Thermal insulation of the down and feathers of pygoscelid penguin chicks and the unique properties of penguin feathers. The Auk. 103 (1), 160-168 (1986).
  12. Ward, J. M., Houston, D. C., Ruxton, G. D., McCafferty, D. J., Cook, P. Thermal resistance of chicken (Gallus domesticus) plumage: a comparison between broiler and free-range birds. British poultry science. 42 (5), 558-563 (2001).
  13. Ward, J. M., Ruxton, G. D., Houston, D. C., McCafferty, D. J. Thermal consequences of turning white in winter: a comparative study of red grouse Lagopus lagopus scoticus and Scandinavian willow grouse L. l. lagopus. Wildlife Biology. 13 (2), 120-130 (2007).
  14. Lucas, A. M., Stettenheim, P. R. Avian Anatomy: Integument. , US Government Printing Office. Washington, D.C. (1972).
  15. Osváth, G., et al. How feathered are birds? Environment predicts both mass and density of body feathers. Functional Ecology. 32, 701-712 (2018).
  16. Pap, P. L., et al. A phylogenetic comparative analysis reveals correlations between body feather structure and habitat. Functional Ecology. 31 (6), 1241-1251 (2017).
  17. Caccamise, D. F., Weathers, W. W. Winter Nest Microclimate of Monk Parakeets. The Wilson Bulletin. 89 (2), 346-349 (1977).
  18. Broggi, J., Gamero, A., Hohtola, E., Orell, M., Nilsson, J. Å Interpopulation variation in contour feather structure is environmentally determined in great tits. PLoS ONE. 6 (9), 24942 (2011).
  19. Howell, S. N. G. Molt in North American Birds. , Houghton Mifflin Harcourt. ISBN 13: 9780547152356 (2010).
  20. Willoughby, E. J. An Unusual Sequence of Molts and Plumages in Cassin's and Bachman's Sparrows. The Condor. 88 (4), 461-472 (1986).
  21. Wetmore, A. The Number of Contour Feathers in Passeriform and Related Birds. Auk. 53, 159-169 (1936).
  22. Staebler, A. E. Number of Contour Feathers in the English Sparrow. The Wilson Bulletin. 53 (2), 126-127 (1941).
  23. Barnett, L. B. Seasonal Changes in Temperature Acclimatization of the House Sparrow, Passer domesticus. Comparative Biochemistry and Physiology. 33, 559-578 (1970).
  24. Middleton, A. L. A. Seasonal Changes in Plumage Structure and Body Composition of the American Goldfinch, Carduelis tristis. The Canadian Field-Naturalist. 100 (4), 545-549 (1986).
  25. Lei, F. M., Qu, Y. H., Gan, Y. L., Gebauer, A., Kaiser, M. The feather microstructure of Passerine sparrows in China. Journal für Ornithologie. 143 (2), 205-213 (2002).
  26. D'alba, L., Carlsen, T. H., Ásgeirsson, Á, Shawkey, M. D., Jónsson, J. E. Contributions of feather microstructure to eider down insulation properties. Journal of Avian Biology. 48 (8), 1150-1157 (2017).
  27. Gilbert, C., Robertson, G., Le Maho, Y., Naito, Y., Ancel, A. Huddling behavior in emperor penguins: dynamics of huddling. Physiology & Behavior. 88, 479-488 (2006).
  28. Kvadsheim, P. H., Folkow, L. P., Blix, A. S. A new device for measurement of the thermal conductivity of fur and blubber. Journal of thermal Biology. 19 (6), 431-435 (1994).
  29. Spaw, C. Combination Specimens a la Burke Museum. , 21-28 (1989).
  30. Infrared Emissivity Table. ThermoWorks. , Available from: https://www.thermoworks.com/emissivity_table (2019).
  31. Cossins, A. R., Bowler, K. Temperature Biology of Animals. , Chapman and Hall. London. (1987).
  32. Orlove, G. Emissivity and Reflected Temperature. Infrared Training Center. , Available from: http://irinformir.blogspot.com/2012/02/thermographic-measurement-techniques.html (2012).
  33. Hammel, H. T. Infrared Emissivities of Some Arctic Fauna. Journal of Mammalogy. 37 (3), 375-378 (1956).
  34. McNab, B. K. An Analysis of the Body Temperatures of Birds. The Condor. 68 (1), 47-55 (1966).
  35. Crawford, E. C., Lasiewski, R. C. Oxygen Consumption and Respiratory Evaporation of the Emu and Rhea. The Condor. 70, 333-339 (1968).
  36. Senior, R. A., Hill, J. K., Edwards, D. P. ThermStats: An R Package for Quantifying Surface Thermal Heterogeneity in Assessments of Microclimates. Methods in Ecology and Evolution. 10, 1606-1614 (2019).
  37. FLIR Systems, Inc. , Available from: https://www.flir.com (2019).
  38. McCafferty, D. J. Applications of thermal imaging in avian science. Ibis. 155 (1), 4-15 (2013).
  39. Boonstra, R., Eadie, J. M., Krebs, C. J., Boutin, S. Limitations of Far Infrared Thermal Imaging in Locating Birds. Journal of Field Ornithology. 66 (2), 192-198 (1955).
  40. Rodbard, S. Weight and Body Temperature. Science. 111 (2887), 465-466 (1950).

Tags

Biyoloji Sayı 160 kuşlar düz cilt termal kamera örnekler tüyler sıcaklık ısı termoregülasyon yalıtım performans
Kuş Tüyü Paltolarla Isı Kaybını Ölçmek İçin Termal Kamera Kullanma
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Graveley, J. M. F., Burgio, K. R.,… More

Graveley, J. M. F., Burgio, K. R., Rubega, M. Using a Thermal Camera to Measure Heat Loss Through Bird Feather Coats. J. Vis. Exp. (160), e60981, doi:10.3791/60981 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter