IOB: птичьи перья могут отдавать тепло в космос

Фото из открытых источников

Земля постоянно теряет тепло через атмосферу и в космос, включая бесчисленные выбросы энергии, которые ежедневно улетучиваются из малоизученного, возможно, неожиданного источника: птиц.

Однако, поскольку вызванное деятельностью человека изменение климата искажает этот теплообмен и все сильнее нагревает нашу планету, понимание того, как птицы регулируют температуру своего тела, имеет важное значение для их сохранения, а также для нашего собственного.

В новом исследовании в области термодинамики птиц биологи и инженеры объединили усилия, чтобы измерить, сколько тепла и других видов электромагнитного излучения птицы поглощают, излучают и отражают в окружающую среду. Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Integrative Organismal Biology.

«Очень интересно узнать, что перья птиц эволюционировали таким образом, чтобы отводить тепло в космос и отслеживать климатические изменения», — объясняет соавтор исследования Терри МакГлинн из Калифорнийского государственного университета в Домингес-Хиллз.

Речь идёт об инфракрасном тепле, которое может проходить сквозь некоторые слои земной атмосферы, а не передаваться напрямую в космос.

Сначала исследователи собрали музейные образцы пяти видов птиц (большая рогатая сова, обыкновенный ворон, северная перепелка, сойка Стеллера и певчий воробей) из Музея естественной истории округа Лос-Анджелес, включая от трех до четырех подвидов каждого вида из различных климатических регионов Северной Америки.

Затем исследователи использовали УФ-видимый спектрофотометр для измерения количества света, поглощаемого птицами в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до видимого излучения. В орнитологии видимая окраска помогает птицам достигать трех основных целей: маскировки, общения и охлаждения.

Но это не вся история, связанная с теплом, потому что тепло, или излучение в инфракрасном диапазоне, невидимо — как для людей, так и для птиц. Кстати, эти диапазоны похожи на инфракрасные волны, наблюдаемые телескопом JWST для изучения Вселенной.

Нет, исследователи не использовали самый мощный в мире космический телескоп для наблюдения за птицами. Но они применили общую методику для анализа того, как перья птиц реагируют на различные длины волн инфракрасного света, поэтому междисциплинарная команда и привлекла спектрометры.

«Получить доступ сложно, к тому же многие инженеры не хотят, чтобы загрязненные биологические материалы попадали в их очень дорогое и навороченное оборудование», — поясняет соавтор исследования Эллисон Шульц из Музея естественной истории округа Лос-Анджелес.

В целом, у птиц из более теплых климатических зон или более низких широт, расположенных ближе к экватору, наблюдалось снижение поглощательной способности в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазоне, что согласуется с термической адаптацией, направленной на снижение теплового стресса.

Согласно другой экспериментальной гипотезе, птицы, обитающие на открытых пространствах и подверженные воздействию неба и солнца, должны рассеивать тепло более эффективно, чем лесные птицы. Соответственно, перепела, предпочитающие луга и прерии, демонстрировали наибольшее излучение в среднем инфракрасном диапазоне. Таким образом, эти наземные перепела могут излучать несколько больше инфракрасного тепла, чем другие птицы.

«Всякий раз, когда вы выходите на улицу, и над вашей головой нет потолка, крыши или дерева, из-за того, что в космосе намного холоднее, чем на Земле, тепло излучается в космос», — говорит Шульц. «Если вы живёте на открытом воздухе, например, если вы луговая птица, вы довольно часто находитесь под открытым небом. Поэтому это может оказывать на вас большее селективное давление».

Было получено множество других результатов. Совы поглощают меньше излучения в широком диапазоне длин волн, а также демонстрируют наибольшую изменчивость отражательной способности по сравнению с дневными птицами, возможно, из-за ослабленного селективного давления, поскольку совы ведут ночной образ жизни.

Однако, вопреки термическим гипотезам, вороны в более теплом климате демонстрировали более высокое поглощение излучения, несмотря на то, что часто обитали на открытых пространствах, как перепела. Хотя более темное оперение ворона поглощает больше солнечной радиации, оно может удерживать ее ближе к перьям, где она легче выходит наружу, а не поглощается телом. Более темное оперение также может быть термодинамически выгодным для птиц, совершающих более быстрые и частые перелеты.

Наконец, некоторые птицы, такие как перепела, подтверждают гипотезу «лучшего из двух миров», поскольку они остаются хорошо замаскированными в видимом свете, одновременно снижая тепловой стресс за счет адаптации к тому, сколько инфракрасного излучения они поглощают, излучают или отражают.

Возможно, самое важное в этом исследовании — это то, что оно предоставляет дополнительные доказательства того, как мы можем учиться у природы, чтобы её сохранить.

«Одной из актуальных тем в теплотехнике является создание пассивно охлаждающих конструкций, — говорит соавтор исследования Томас Ли из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и, — и для инженеров не секрет, что в природе существуют одни из самых оптимизированных, многофункциональных адаптаций, которые мы хотели бы воспроизвести».