在本期《Stuff to Blow Your Mind》节目中,Robert 与卡尔顿大学的 Roslyn Dakin 聊了关于一项关于高风险蜂鸟飞行生物学和物理学的新研究。请访问 omnystudio.com/listener 获取隐私信息。</context> <raw_text>0 这是一个 iHeart Podcast。当你是军人家庭的一员时,你会理解牺牲和支持。在美国公共大学,我们通过将我们的军人学费优惠扩展到你的大家庭来表达对你的敬意。父母、配偶、合法伴侣、兄弟姐妹和受抚养人都符合 APU 优惠的军人费率,本科和硕士课程每学分仅需 250 美元。
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嘿,欢迎收听《Stuff to Blow Your Mind》。我是 Robert Lamb。在今天的节目中,我将与卡尔顿大学渥太华分校副教授、动态行为实验室首席研究员 Rosalind Dakin 聊天。
我们将讨论蜂鸟,因为她和她的合著者刚刚在《动物学杂志》上发表了一篇新论文,《权衡取舍》。蜂鸟的能量储备用于减小转弯半径或增加转弯速度。因此,事不宜迟,让我们直接进入采访。
你好,Rosalind。欢迎来到节目。你好,感谢你的邀请。所以我们今天要谈论蜂鸟。我们已经在亚特兰大非常享受蜂鸟的陪伴了。它们到达你那里了吗?你在安大略省,对吗?是的,没错。我在安大略省渥太华,它们在 5 月的第一周到达。红喉蜂鸟
几乎每年都像时钟一样准时出现。每当我们终于看到本季第一批蜂鸟出现在我们的喂食器和花朵上时,在我的家里总是一件令人高兴的事情。我认为,你知道,起初是它们在这里的魔力,它们移动的方式等等。但是当你开始观察它们时,你真的会开始注意到它们对它们的花朵或我们为它们准备的可爱的小喂食器是多么的具有领地意识。你能……
告诉我们,为什么它们对这些如此具有领地意识?有时作为人类放置喂食器,我们想告诉它们,不,不,有很多可以分享。而它们通常不会接受任何这些。是的,没错。它们具有超强的竞争行为。这是我们实验室一直在研究的东西。为什么它们是这样的,我认为这都归结于它们超高的代谢率。
它们的生活方式依赖于全天稳定的卡路里供应。如果它们甚至一小时不进食,取决于它们体内有多少能量脂肪储存,这可能意味着一小时不进食就会死亡。因此,这些食物来源对它们来说非常非常宝贵。
它们的代谢率如此之高,如果你能将蜂鸟的身体放大到普通成年人的大小,那就相当于你或我一天要吃 150 个大型比萨饼。哇。现在,它们的翅膀怎么能动得这么快,才能将它们推进空中呢?是的。为了能够悬停,蜂鸟必须拍打翅膀,这取决于物种。
每秒 30 到 80 次。所以如果你考虑一下完整的翅膀挥动,那就是你的手臂完全向后伸展,向前然后再次向后,并为像红喉蜂鸟这样的物种每秒重复 50 次这个循环。速度非常快。
所以它们有,所以这就是为什么它们的代谢率如此之高,是所有脊椎动物中每单位体重最高的。但它们有很多解剖学上的适应性,这是必需的。
例如,它们向下拉动翅膀的胸肌,激活向下冲程,是肥大的。它们非常非常大。但同样,它们还有另一块肌肉,即锁骨上肌,它将翅膀向上拉。
而且它也是肥大的。在蜂鸟中,它也很大。它们也有骨骼适应性。因此,这些肌肉附着的骨骼必须比其他具有更典型翅膀拍打频率的鸟类更大更结实。它们的翅膀骨骼的解剖结构也发生了巨大的变化。这些是我们看不到的骨头。我们只看到翅膀上有羽毛的部分。
但在蜂鸟的翅膀内部,它们肱骨非常非常短。它非常短,几乎就像一个小点。你知道,它只有几毫米长。而它们的翅膀大部分是手。这意味着
它们手臂骨骼的重部件靠近身体,使拍打翅膀变得更容易。但这同时也意味着激活这些翅膀冲程的肌肉的工作距离更短。因此,这使得它们能够以这种令人难以置信的高频率拍打翅膀在物理上成为可能。那么进化上是什么驱动了这种发展,这种蜂鸟的军备竞赛呢?
仅仅是它们的饮食以及它们如何进食吗?是捕食者吗?是其他蜂鸟吗?这一切是如何结合在一起的?是的,这是一个非常有趣的问题,我们对此有一些假设,但它仍然是一个活跃的研究领域。如果我们回顾一下,好吧,让我们从看看我们今天拥有的东西开始。蜂鸟家族种类繁多。有 366 个不同的物种,并且
它们生活在美洲,即南美洲、中美洲、加勒比海和北美洲的一些物种。这非常多样化。在过去的 2500 万年中,它们已经辐射,已经多样化到所有这些物种。
如果我们看看它们在进化树上、所有鸟类的家谱中最亲近的亲属,那就是雨燕,它们也是非常敏捷的鸟类。它们分布在全球各地。我们在北美洲有雨燕。我们在欧洲和亚洲也有雨燕,它们是空中食虫动物。所以雨燕是……
几乎所有的时间都在空中捕捉飞虫。因此,它们必须像小型战斗机飞行员一样,才能追捕猎物。因此,第一批蜂鸟大约在 3000 万年前从一种在空中非常非常敏捷的捕食者祖先进化而来。
雨燕拥有一些与蜂鸟相同的骨骼适应性。它们有一个扩大的龙骨。这是胸骨上骨骼的一部分,胸肌附着在那里。雨燕的翅膀骨骼也发生了与蜂鸟相同的变化。这就是我们知道蜂鸟在解剖学上如何适应的部分原因。但基因研究也确定了这些关系。
所以,是的,第一只蜂鸟就像一种追捕昆虫的食虫动物。不知何故,你知道,也许它们开始偏爱与花朵相关的昆虫。也许这导致它们消耗了一些花蜜。我们不知道究竟发生了什么导致这种向专门以花蜜为食的转变。但另一个神秘的部分是……
我们拥有的蜂鸟最早的祖先化石并不在我们今天可以观察到的所有物种的同一地区。嗯,蜂鸟最接近的化石祖先来自欧洲。所以,嗯,
具有许多蜂鸟典型特征的化石,例如长喙、夸张的龙骨和不同的翅膀比例。这些化石在波兰和法国以及多个地方被发现。因此,我们认为它们起源于欧洲,并在某个时候来到了美洲。
3000 万年前,2500 万年前,从那时起,它们多样化到今天的许多物种。而其中很大一部分多样化可能是由于专门适应美洲和加勒比海的不同地区。
那么,它们增强的机动性和它们的能量储备(我们将在开始讨论你的研究时讨论),这主要是为了蜂鸟之间的竞争,还是它们也有需要担心的空中捕食者?它们可能有一些有效的捕食者。这不是我们经常观察到的东西,但我们看到很多物种间的竞争,以及物种内的竞争。所以
尤其是在物种内的雄性之间,为了争夺领地,为了争夺食物资源而竞争。我们看到它们使用特技技能的另一个领域是求偶时。因此,在许多物种中,雄性会试图通过在空中进行精心设计的展示来打动雌性。不同的物种,展示的方式也不同。
但通常情况下,它们会来回快速移动,达到非常高的速度并快速转弯,同时向雌性展示它们五彩缤纷的羽毛,有时还会在进行这些展示时发出某些声音。
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所以让我们更深入地了解你的研究,告诉我们一些关于动态行为实验室以及蜂鸟如何在你的工作中发挥作用的信息。是的,我们对个体之间的差异和物种之间的差异很感兴趣。当性能是它们生存的重要组成部分时,
是什么决定了哪些个体比其他个体占主导地位?谁赢得了这些竞争?哪些特征决定了谁会赢?但对于那些从属的个体来说,它们有什么选择?从属个体是如何谋生的?这些是我们实验室正在研究的一些问题。因此,我们测量诸如个体鸟类产生能量的能力、智力等指标,
在飞行中,我们还在大型竞技场中测量它们的行为,在那里我们可以让多只鸟相互竞争,争夺食物资源,并观察谁占主导地位,以及它们如何使用飞行动作来超越彼此。现在,你如何进行这样的研究?因为蜂鸟,我想,无论如何都不是容易研究的生物。然后你正在处理一些难以测量的属性,对吧?是的,这需要很大的耐心。
蜂鸟可以进行的一种最好的分析是负重提升分析,我们可以用它们的飞行装置、激活翅膀的那些肌肉来测量它们能够产生的最大功率。我们在一个类似于垂直圆柱体的腔室中进行这种分析。
嗯,顶部有一个开放的明亮灯光,蜂鸟在腔室的底部,它将非常渴望向上飞,试图逃脱。嗯,我们使用几十年前由其他科学家开发的一种分析方法,我们在这个鸟的脖子上放一个小的,嗯,
环,它连接到一串珠子上。当我们知道沿链的珠子的重量时,我们可以记录蜂鸟从腔室底部释放时发生的情况。如果一切为鸟类设置得当,当它们尽其所能向上逃脱时,我们能够准确测量它们能够举起多少重量,多少,你知道,链上珠子的确切重量。它们飞得越高,它们举起的重量就越多,直到它们达到最大值
并返回腔室底部。因此,我们能够开发出一种分析方法,它完全符合它们的能力,它们试图测量其最大举重能力的动机。所以基本上,蜂鸟身上小小的项链是研究的一部分?没错。是的,是的,是的。所以我们必须制作这些项链。是的。哦,哇。
因此,最近发表在《动物学杂志》上的这项研究真正深入探讨了它们的机动性和能量储备。你能解释一下这两个方面是如何联系在一起的吗?当我阅读这篇论文时,我一直都在用电子游戏的术语来思考蜂鸟,并想象屏幕顶部的小计量器。是的。这项研究的动机是几个问题。它由我的同事 Paolo Segre 和我的合著者 Doug Altshuler 领导。
所以其中一个问题是,当我们测量它们的机动性能时,这包括许多具有许多自由度的复杂行为,它们能转弯多紧?转弯时它们能移动多快?它们能加速、减速多快?当我们测量这些动作时,很难捕捉到鸟类的最大能力。
你在捕捉它们行为的空间中给予它们的自由度越大,定义明确的最大值就越小,因为在完全开放的环境中有很多不同的移动方式。多年来,我们一直在研究不同蜂鸟物种的机动能力。
但我们想知道,它们能够在我们更受约束的分析(例如我们的负重提升分析)中产生的能量,是否能够预测我们能够在这个自由飞行分析中捕捉到的某个最大值?这就是这项研究的动机。
因此,在 Paolo 的领导下,Paolo 使用基本的物理学原理推断出,它们非常频繁地使用的基本动作之一是转弯,我们称之为弧形转弯,这基本上只是一个水平转弯,如果你从上面看,它遵循一个平滑的弧线。
他推断出这些弧形转弯,我们可以建立一个物理模型来模拟它们产生这些弧形转弯所需的力。
我们可以测试鸟类在我们负重提升分析中能够举起的最大负重是否与它们在弧形转弯过程中重新定向力时撞到的最大负重相对应。你在这里描述的这些弧形转弯之一,这可能是我们在院子里一只蜂鸟将另一只蜂鸟赶走喂食器或花朵时看到的动作之一吗?嗯,
是的,绝对的。是的,它们肯定会在追逐过程中使用弧形转弯。它们还会在避障时使用弧形转弯,这对快速移动的动物来说非常重要。这些碰撞可能是致命的。
是的,我猜我并没有注意到那么多的避撞转弯,因为如果它们避免与我的头部相撞,这一切都发生得太快了。但有时我们会观察它们,我们会观察它们,我们会看到一只追赶另一只。听起来这就是你在这里谈论的内容。没错。对不起,但我让我们偏离了主题。你正在描述你对这些转弯的分析。
好的。是的。在这些自由飞行分析中,我们并没有告诉鸟类该做什么。当它们试图避开具有威胁性的实验者、避免与飞行室侧面相撞时,它们正在以某种常规飞行水平的性能进行表演。
但我们可以在相对较短的时间内从每个个体中捕捉到数千个动作,因为蜂鸟所做的一切都比其他物种或它们自己的生命发生在更快的时标上。因此,如果你记录蜂鸟两个小时,你可能会捕捉到 2000 个弧形转弯,例如。
因此,我们可以通过计算方法提取代表弧形转弯的飞行片段,这些片段仅限于水平面。我们可以应用 Paolo 建立的物理模型来说,好吧,当鸟类倾斜身体执行转弯时,力重新定向
对于我们从研究中不同蜂鸟捕获的成千上万个转弯来说,这看起来像什么?我们在该研究中研究了大约 20 只蜂鸟。并且该分布的极限,它与我们根据这些鸟类在我们高度受限的负重提升分析中能够举起的重量所预测的极限如何对齐?
我们发现,总的来说,该模型很好地预测了鸟类在该腔室中的最大转弯性能。我们研究的安娜蜂鸟来自北美西海岸,比我们在渥太华或你所在的地方的物种略大。但在我们的负重提升分析中,它们平均可以举起大约两倍半于其体重的重量。我们可以模拟这将转化为能够重新定向力以执行该转弯的程度。在我们自由飞行实验中的鸟类,它们的峰值性能与我们根据它们的最大能力预测的峰值相匹配。
所以这真的很令人满意。它与我们的假设相符,即为了具有机动性,能量必须来自它们在飞行中的肌肉能力以及它们多余的肌肉能力,它们垂直举起重量的能力将决定能量。
它们如何执行这些高性能特技动作。因此,当它们白天四处飞行时,它们多久会完全用完它们的能量储备?是的,这是一个非常好的问题,我们还不知道答案。
它们在自然界中多久会达到最大值?可能不如,你知道,当你想到蜂鸟的寿命以及它们白天所做的事情时那么频繁。
我估计,我会假设它们执行达到最大值的动作的情况非常罕见。但在我们的飞行室中,你知道,这是一个相当小的比例,也许只有 1% 的转弯达到了那个最大范围。也许在野外也是如此,但这将是我们将来能够测试的东西,希望如此。
例如,通过拥有足够小的传感器来安装在一个非常小的鸟类身上。这是一种挑战。但一天中的大部分时间,它们都在栖息。可能对它们来说最大的挑战之一是维持执行那些罕见、超高性能动作所需的肌肉质量。这绝对令人着迷。
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当我们观察它们时,你知道,我们显然会发现它们本身就是非常强大的生物,但我们也会感觉到它们很脆弱,它们处理起来很脆弱,就像处理蜂鸟与你可能在你的工作中研究的其他鸟类有什么不同吗?是的,嗯……
在实验室里,与其他物种相比,它们相对容易处理。部分原因可能是它们非常专业化。如果你知道它们需要的条件,它们
相对容易保持健康。脆弱的主要点是超高的代谢率。如果它们食物不足,那将是灾难性的。但如果你为它们创造了合适的条件,例如无限的食物、合适的物理空间,那么它们在实验室里就很容易处理。
但我们必须将它们分开饲养。这与其他鸟类不同,因为是的,它们非常具有攻击性。例如,它们会将彼此排除在喂食之外。它们的喙可以成为武器。因此,当它们被圈养时,我们让每个个体单独饲养。
你不会经常在野外看到这种情况,但是,但是如果你有视频片段,高速视频片段显示鸟类在喂食器处互动和争斗,你知道,
在本期《Stuff to Blow Your Mind》节目中,罗伯特与卡尔顿大学的罗丝琳·达金就一项关于高风险蜂鸟飞行生物学和物理学的新研究进行了探讨。请访问omnystudio.com/listener了解更多隐私信息。</context> <raw_text>0 你会看到它的喙就像一把长匕首,当它们对峙时,它们会确保将喙指向对方。你可以想象一下,对于一只只有2.5克重的动物来说,用这样的长喙相撞会是多么灾难性的。哦,哇。是的。这将是我的问题之一。比如什么,比如什么,是什么,我们看到它们互相追逐。它们究竟在互相做什么?如果它们抓住对方,听起来有点像是在进行比武。对。
是的。我们很难捕捉到那种情况,比如,在野外会有什么后果?我们最好的例子是人们在喂食器处拍摄的镜头。当鸟类在喂食器附近真的争斗起来时,会发生什么?你会看到它们抓住对方的羽毛,并用它们的喙来保卫那片空间,驱赶另一只鸟。是的。
关于究竟是如何,比如什么信号或结果决定了谁赢得这些竞争,还有很多悬而未决的研究问题。
这是我们现在在我的实验室里正在研究的一个活跃领域。但即使在实验室里,我们也很少看到它们互相发生身体接触。所以如果一只鸟想把另一只鸟从栖息处赶走,有时它们会发生小规模的争斗,它们会发生接触。我认为在高速下,这种争斗对双方来说都非常危险。所以这是一个真正的“胆小鬼游戏”。
现在,当你研究蜂鸟时,它是完全季节性的吗?季节性是否在很大程度上是其中的一部分,或者你是否有可以全年研究的圈养蜂鸟?
是的,在我的渥太华实验室里,我们正在研究红喉蜂鸟,它们是候鸟。所以我们从五月初就开始在这里捕捉鸟类,现在实验室里有一群雄鸟,它们会在秋季南迁之前再次被放生。所以我们只在繁殖季节与它们一起工作,并且只研究雄鸟。
值得注意的是,许多个体,许多候鸟物种,一只蜂鸟会回到同一个喂食器。所以我现在实验室里的一只鸟,是我们去年在校园里捕捉并放生的,在其腿上系了一个带有识别号码的小带。
它会一直迁徙到墨西哥。然后在这个春天,五月的头两周,就像时钟一样,它出现在同一个喂食器。我们今年又捕捉到了它。所以这真的很了不起,不仅是它们所做的体力壮举,而且还有它们的
它们有惊人的记忆力。所以它们,而这都是它们高新陈代谢率的一部分。它们需要知道可靠的食物来源在哪里。所以这只雄性红喉蜂鸟在这段跨大陆的旅程后回到了同一个喂食器。这将是我关于蜂鸟大脑中发生的事情的后续问题之一。因为,再说一次,它们是如此截然不同的生物。
它们的生活时间框架与我们如此不同。再加上巨大的距离和巨大的速度。那么,我们还知道关于它们的小大脑是如何工作的吗?是的,这真的很吸引人。所以,我的合著者道格·阿尔特舒勒的实验室正在进行大量关于它们大脑如何工作以及视觉系统如何工作的优秀研究。我们还对它们的大脑进行了研究
空间记忆。所以大约20年前,一项关于生活在落基山脉的一种蜂鸟的非常漂亮的研究考察了它们学习随着时间推移花蜜供应量发生变化的花朵的能力。真正的花朵不像喂食器。真正的花朵会枯竭,并在某个季节周期内重新补充。
而拥有许多花朵领地的蜂鸟,它们需要知道下一顿饭从哪里来。它们能够记住许多花朵的位置。例如,这只从墨西哥一路回到我的喂食器的小鸟,我们假设它会记得沿途的其他地方。所以阿尔伯塔省的加拿大研究人员所做的是……
设计了一个实验,他们可以在野外追踪一只拥有领地的雄鸟,并在该领地内设置动态喂食器,这些喂食器采用不同的时间表。也许有些喂食器会以5分钟的间隔补充,其他的以10分钟的间隔补充,其他的以20分钟的间隔补充。如果一只鸟有多个不同时间安排的喂食器可用,它们能够学习这些不同的时间安排吗?
他们发现它们确实可以。所以它们不仅能记住食物资源在哪里,还能跟踪领地内多个可变时间表,就像都在它们脑子里一样,对吧?所以它们脑子里有一个日历来确定哪些资源有食物,它们在哪里,以及它们什么时候会再次变得有利可图?
嗯,而且它们的大脑非常非常小。记住,因为它们的,它们的整个身体都是微型的。所以它们的大脑比其他鸟类的大脑小得多。嗯,所以它们能够做到这一点,这真是太不可思议了。是的。我对它们绘制所有这些地图的能力印象深刻。然后我感到有点,我情不自禁地感到内疚,因为
如果我忘记补充喂食器或更换喂食器中的花蜜,我现在会感觉更糟糕,因为我正在扰乱它们对所有花朵和喂食器位置的精确心理地图。是的。
这很重要。如果你在维护喂食器,重要的是要让它继续运转。但它们也确实很有韧性。在我们开始提供喂食器之前,它们已经存在了数百万年。
而且,嗯,在你家院子和你家附近的那些鸟,它们会绘制出其他食物来源的地图。嗯,是的,这很重要,但是,嗯,如果一个人忘记补充喂食器,不太可能造成灾难性的后果。嗯,但同样令人着迷的是,我们正在学习这些喂食器是如何变化的,是如何导致蜂鸟的当代进化。嗯,
我们北美东部地区的物种,红喉蜂鸟,尽管人类为其他鸟类物种创造了许多威胁,但它们的数量却相当不错。这很大一部分可能是人类为它们提供食物。在西海岸,安娜蜂鸟是一个已经扩展了其活动范围的物种。所以它过去只生活在美国西南部的较温暖的州。现在我们发现这种安娜蜂鸟物种最北端到达加拿大温哥华,我们在那里进行了研究。在过去的一个世纪里,随着人们提供食物,包括观赏花卉和喂食器,它们已经扩张了。我们正在学习一项今年刚刚发表的研究。我们正在学习如何
提供喂食器正在导致其喙的形态发生可测量的变化。随着它们的扩张,它们的喙的大小正在发生变化。这真的很棒,因为喙的形状进化是达尔文开始理解自然选择是如何运作的经典案例。而我们人类现在正在导致这种情况以快速的时间尺度发生。
哇。那么这里发生了什么样的变化?喙变短了还是变长了?是的。所以它们的喙变长了,以便能够从喂食器中提取食物。研究人员能够发现这一点的方法是测量过去一个世纪收集的博物馆标本的喙,并从100年前、50年前到现在建立一个标本的时间序列。哇,这令人印象深刻。
所以你花了这么多时间研究蜂鸟。它们对你来说仍然保持着魔力,还是变得像每天一样普通?它们仍然令人兴奋吗?它们仍然令人兴奋。我最喜欢的时刻之一是从去野外寻找蜂鸟的地点,就是看到求偶展示,看到雄鸟向雌鸟求偶。
红喉蜂鸟会进行穿梭式展示,它们会来回快速移动,它们从一个小弧线开始,在雌鸟面前炫耀它们五彩缤纷的羽毛,它们的穿梭动作越来越大,越来越快。即使在实验室里处理了许多蜂鸟之后,它仍然非常神奇。而我发现关于它们真正令人兴奋的另一件事是看到它们的行为放慢速度。如果你捕捉……
使用高速摄像机拍摄,然后慢速观看,你真的会对它们能做什么有更深的了解,因为看起来它们像是在空中游泳。看起来它们在空中移动得像我们在游泳时一样灵活。
在地面上,你会对它们能做的事情留下深刻的印象,你知道,当你现实生活中看到它们时,它们只是从你身边飞过。但那里发生了很多事情。是的,我知道几年前,我和家人去了哥斯达黎加,我们在那里看到了一些蜂鸟和一些喂食器。只是用我们当时拥有的任何iPhone,
你知道,你可以拍摄一段相当不错的视频,然后放慢速度,从而对它们正在做的事情有更深的了解。所以我可以想象,A,今天的iPhone和智能手机,以及专业的电影设备,有什么可能。
是的,是的,没错。哥斯达黎加拥有种类繁多的物种,你访问的不同地点会有不同的物种。而这又是一个继续让我着迷的问题。我们最小的蜂鸟只有2克重,相当于一枚硬币的重量。而我们最大的物种有20克重。大了10倍。
嗯,然后我们有366个物种跨越了这个范围。嗯,大多数物种都在2到10克之间,这仍然是一个很大的范围。为什么会有这么多不同的蜂鸟种类?所有这些,比如这种,这种总体策略,是如何导致这种多样化的,以及它们是如何共存的,这是另一个非常吸引人的问题。好吧。罗莎琳德,感谢你今天来节目中与我聊天,谈论蜂鸟。
非常感谢你。再次感谢罗莎琳德·达金抽出时间与我聊天。再次声明,这篇论文是《转变权衡:蜂鸟的能量储备用于减小转弯半径或增加转弯速度》,现已发表在《动物学杂志》上。你可以通过访问她的网站rosalindakin.com了解更多关于她与动态行为实验室合作的信息。网址是R-O-S-L-Y-N-D-A-K-I-N.com。
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