Перья птиц могут охлаждаться, отводя тепло тела в космос

Фото из открытых источников

Ученые впервые измерили, как перья птиц передают тепло тела в космос, и установили, что северные перепела являются необычайно сильными источниками этого тепла. Полученные данные позволяют рассматривать перья как активные тепловые структуры, определяющие процесс накопления и рассеивания тепла у птиц, и это выходит за рамки того, что может объяснить только цвет.

Анализ перьев пяти североамериканских видов птиц показал, что некоторые из них более эффективно, чем другие, отводят тепло вверх через открытый воздух. Результаты исследования опубликованы в журнале Integrative Organismal Biology.

Томас Ли из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) продемонстрировал, что перепела выделяют больше тепла, чем близкородственные виды. Этот контраст сохранялся даже тогда, когда птицы казались похожими по внешнему виду, различая то, как выглядят перья, и то, как они используют энергию.

Узкий диапазон распространения большинства видов ограничивает возможность делать далеко идущие выводы, но он устанавливает измеримую закономерность, которая позволяет проводить более тщательное сравнение.

Видимые тени рассказывали лишь часть истории, потому что большая часть солнечной энергии поступает за пределы полосы, которую замечают люди. Команда отслеживала ближний инфракрасный солнечный свет, потому что перья могут отражать его, не меняя при этом внешний вид птицы.

Исследователи также измерили среднеинфракрасное излучение, выделяемое теплыми телами, что имеет значение, когда птицы, находящиеся на открытом воздухе, теряют энергию, поднимаясь вверх через чистый воздух.

В результате две птицы могут выглядеть почти одинаково, но при этом получать солнечное тепло и отдавать его с разной скоростью.

У нескольких видов животных более теплые места часто соответствовали перьям, которые поглощали меньше солнечной энергии. Низкий коэффициент поглощения, то есть доля поступающего излучения, удерживаемая поверхностью, снижает тепловую нагрузку до того, как птица начнет активно охлаждаться.

У певчих воробьев из пустынь Южной Калифорнии наблюдалось самое низкое поглощение солнечной энергии, в то время как у перепелов из Айовы поглощение было выше, чем у птиц из Мексики или Флориды. Более ранние исследования птиц показали, что отражение ближнего инфракрасного излучения может защитить птиц от жары, и эти региональные закономерности уточняют эту картину.

Перепела имели значение и по другой причине: видимый цвет не позволял предсказать, как их перья будут реагировать на скрытые длины волн. Птицы из Айовы, Флориды и южной Мексики внешне напоминали человеческие глаза, однако их общее поглощение солнечной энергии разделялось, как только в них попадал невидимый свет.

Такое несоответствие предполагает, что оперение может сохранять маскировку, изменяя при этом теплоотдачу, что является полезным свойством на открытых лугах и прериях. При открытом небе даже небольшие оптические корректировки могут иметь значение, если перья внешне не отличаются.

Открытые пространства сделали перепелов особенно показательными, поскольку эти птицы проводят длительные периоды времени, когда над ними нет ничего, кроме неба. В таких условиях тепло может уходить через атмосферное окно — волны, которые легко проходят сквозь воздух, вместо того чтобы сразу возвращаться обратно.

В отсутствие крыши, веток или скал над головой часть тепла тела уходит вверх, к более холодному небу, вместо того чтобы оставаться рядом с птицей. Воздействие солнечного света становится реальным фактором отбора, хотя исследование было слишком малочисленным, чтобы точно измерить его силу.

Ситуация с обыкновенными воронами осложнялась тем, что птицы, которые выглядели одинаково черными, по-разному реагировали на солнечный свет. Их подвиды, представляющие собой регионально различающиеся популяции в пределах одного вида, демонстрировали различное поглощение ближнего инфракрасного излучения, даже когда человеческое зрение практически не замечало разницы.

Вороны из теплых регионов поглощали больше солнечного света, чем вороны из холодных регионов, хотя обе группы казались чёрными человеческому глазу. При таком подходе темное оперение не влечет за собой единых фиксированных тепловых издержек для всего вида.

Темные перья не обязательно приводят к перегреву птицы, поскольку распределение поглощенной энергии имеет такое же значение, как и общая нагрузка. Более ранние исследования оперения показали, что ветер и структура перьев могут сильно влиять на то, сколько поглощенного солнечного тепла достигает кожи.

Таким образом, вороны, обитающие в теплом климате, могут поглощать больше солнечного света, не неся при этом тех же потерь, которые предсказывало бы более простое правило цветовой гаммы.

Таким образом, тепловая биология зависит от ветра, поведения и строения оперения, а также от тени и температуры воздуха. Исследование носило предварительный характер, поскольку измерение целых туш птиц создавало трудности при работе с приборами, предназначенными для более чистых и плоских искусственных материалов.

Во многих популяциях было всего три экземпляра, и разделение отдельных перьев приводило к ошибочным выводам, а не к истинным характеристикам поведения птицы на поверхности тела. В ходе проверки было установлено, что целая спинка певчего воробья дала показания, почти в три раза превышающие показания одного отломанного пера.

Тем не менее, эти ограничения показывают, почему музейные коллекции могут отвечать на вопросы, на которые одни лишь полевые исследования не могут легко ответить.

Преимущества выходят за рамки орнитологии, поскольку оптика, созданная на основе перьев, может направлять потоки материалов, сохраняющих более низкую температуру без насосов или источника питания.

«Одной из актуальных тем в теплотехнике является создание конструкций с пассивным охлаждением», — заявил Ли.

Сочетание отраженного солнечного света и излучаемого тепла делает перья привлекательными моделями для пассивного охлаждения. Это также принесет пользу охране природы, поскольку скрытые температурные характеристики могут помочь предсказать, какие популяции способны переносить более жаркие дни.

Теперь оперение птиц выглядит не столько как украшение, сколько как устройство, регулирующее климатические параметры: цвет, солнечный свет и теплоотдачу. Цвет перьев по-прежнему имеет значение, но скрытые тепловые характеристики добавляют еще один аспект к тому, как птицы адаптируются к своему климату.

Этот дополнительный слой может помочь в составлении более точных прогнозов по сохранению биоразнообразия и разработке более эффективных охлаждающих материалов, а также напомнить исследователям о том, как много остается невидимым.