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蜂鸟机械化学效率的尺寸问题

发布时间:2018-05-14

T Scarborough的研究发现,较大的蜂鸟表现出比较小蜂鸟更好的机械化学效率(Ken Jones拍摄)

T斯卡伯勒新研究发现,当涉及到燃料效率时,对蜂鸟来说越大越好。

研究的第一作者,Ken Welch教授实验室的前博士研究生Derrick Groom说:“在动物体内大小在计算运动所需能量方面起着重要作用。

“我们发现,较大的蜂鸟比较小的物种燃料效率更高,这可能与较小的蜂鸟需要比较大的物种更快地击败他们的翅膀有关。”

该研究的目标发表在英国皇家学会会刊B上,旨在探索体重,翼展等形态特征与代谢率之间的联系 - 鸟类消耗能量的速度。研究还探讨了蜂鸟如何将食物能量转化为运动,也称为机械化学效率。

“我们想要探索不同大小的蜂鸟是如何从葡萄糖和其他糖类获得运动的,”Groom最近成为马萨诸塞州阿默斯特大学的博士后。

不言而喻,大型动物比小型动物需要更多的能量来移动,但它不是1比1的比例。换句话说,100倍大的动物不需要移动100倍的能量。

“这就是所谓的提高机械化学效率的事情,”着名蜂鸟研究专家韦尔奇和研究合着者韦尔奇说。

在以前的研究中已经证明,随着体型的增加,动物的效率会更高。 “基本上,对于产生的一定量的机械动力,需要较少的代谢投入才能使其发生,”Welch指出。

蜂鸟新陈代谢是进化工程的奇迹。他们需要惊人的能量来保持悬停飞行,以每秒50次或更多次的速度飞行。如果它们是人类的规模,那么它们的消耗能量将超过奥运马拉松选手的10倍。过去在韦尔奇实验室进行的研究甚至发现,他们同样擅长燃烧葡萄糖和果糖,而葡萄糖和果糖是糖的个体成分 - 其他脊椎动物无法实现的独特性能。

虽然过去在一些陆地动物和昆虫中已经研究了效率的缩放,但这是它首次在鸟类中进行测量。但理解机体大小如何决定飞行需要多少能量在技术上是非常困难的,因为大多数鸟类都会直行。幸运的是,蜂鸟使用悬停飞行,使用现有设备轻松测量代谢率。

为了研究来自25种蜂鸟的研究数据,其大小从3克到10克不等。为了收集某些物种的数据,Groom训练他们从喂食者那里进食,他们可以呼吸到可测量氧气消耗和二氧化碳产生的呼吸测量设备。

这项研究提出了一些有趣的问题。首先,它可以解释为什么某些种类的蜂鸟会在特定的地方找到。效率的提高可以解释为什么在更高海拔处发现更大的蜂鸟,因为它们需要更少的食物来维持在密度较低,缺氧的空气中悬停,Welch指出。

这也可能有助于解释为什么最大的蜂鸟只有这么大,这可能归结为蜂鸟能够产生机械能的效率以及需要多少蜂鸟。

“当你扩大规模时,需要越来越多的权力,所有动物的肌肉骨骼结构都无法应对挑战,”他说。

在光谱的另一端也可以应用蜂鸟。最小的物种不小于2至2.5克,原因可能是机械效率取决于最小尺寸。

韦尔奇补充说:“从精力充沛的角度来看,快速或者快速操作你的肌肉是不现实的。”

该研究获得加拿大自然科学和工程委员会,美国自然历史博物馆,国家科学基金会和安大略省研究基金的研究基础设施资助。

发表:Derrick J. E. Groom等人,“Integrating morphology and kinematics in the scaling of hummingbird hovering metabolic rate and efficiency,”Proceedings of the Royal Society B,2018; DOI:10.1098 / rspb.2017.2011

资料来源:多伦多斯卡伯勒大学唐坎贝尔