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物理学而非遗传学解释了火烈鸟为何站立在一条腿上

  • 2019-11-16 09:07:21

在地球独有的所有自然奇观中,我们世界上各种活的宏观生物(植物,真菌和动物)的多样性也许是最奇妙的。从海洋到陆地再到空中,再到其他地方,不乏令人惊叹的奇迹。在地球上繁衍生息的生物体之间的多样性和变异性是巨大的,但是我们有办法了解生态位中每个生物之间的关系,以及它在生理和行为上如何适应它的方式。

火烈鸟是自然界中最令人惊讶的动物之一。从物理角度看,它们非常不寻常。从长而瘦的腿到独特的粉红色,再到长而柔韧的脖子和奇特的钞票,没有多少其他动物喜欢它们。但是,火烈鸟可能以一种奇怪的行为而闻名:通常可以发现它们站在一只腿上。这是有科学原因的,但它基于物理学,而不是生物学。

想象你是火烈鸟。您出差是一群人的保护。长而瘦的双腿非常适合使您站立在水中,双腿长,却又能保持身体的干燥和温暖。蹼状的脚使您可以通过使水浑浊来一次搅动海底生物,一次一只脚。而且您长而柔软的脖子和奇怪的钞票,下部比上部长且粗,非常适合以搅动的藻类,甲壳类,幼虫,小鱼和其他类似大小的鱼类为食生物。

当火烈鸟处于进食过程中时,通过搅动水或直接将其头部伸入以寻找一口大小的食物,您会发现双脚都在水中。与像鸭子一样的潜水喂食器的鸟类不同,火烈鸟只能用双脚在稳定的地面上稳定地觅食,即使在水下也是如此。

我们认为这是火烈鸟固有的许多特征-无论是生物学上还是行为上-都可以通过一些相对简单的科学来解释。

火烈鸟具有长腿和长颈的串联关系,因为生物进化将有利于那些能够可靠地在浅水和深水中觅食而不会弄湿身体的标本。当浅滩中的食物变得稀缺时,可以通过将水弄混然后用喙挖食而觅食的火烈鸟将存活下来。

火烈鸟具有其特征性的粉红色,这不是由于它们产生的任何固有色素,而是因为它们所食用的甲壳类和藻类(火烈鸟饮食的中流—柱)富含类胡萝卜素色素。火烈鸟饮食中缺乏色素会导致火烈鸟脸色苍白。

但是,当他们不喂食时,无论如何,您经常会在水中发现火烈鸟。火烈鸟具有极强的社交性,因此当其中一个人采取行动进入水域时,其他人很快就会跟随。火烈鸟是优秀的游泳者,因此他们只需横穿其上的水域,即可到达可以站立和觅食的位置。

他们参与复杂的集体表演,成百上千甚至成群的火烈鸟可以协调人的头旗,敬礼,机翼操纵和前进等动作。火烈鸟还花费大量时间进行整理,将从尾巴底部分泌的油脂分布到羽毛上。这有助于使鸟类的身体防翅膀。(火烈鸟的羽毛比其他大多数水禽长3倍。)而且,当它们沐浴时(通常只在浅淡的水中洗澡),它们会淹没整个身体。

对于一个陌生的观察者来说,看起来像一只正在沐浴的火烈鸟正处于极大的困境中。毕竟,在几乎所有时间里,火烈鸟都会在水中度过,因此您很少会发现它:

游泳的,

步行,

浑水,

喙掉入水下喂食

或洗澡

相反,如果它在水中(或即使在陆地上),则更有可能找到火烈鸟,以他们最着名的方式做:站立在一条腿上,另一只腿紧紧地扎着羽毛身体。

您可能对此感到困惑;毕竟,大多数人都是。考虑到火烈鸟特有的所有不同的生物学和行为适应能力,您可能想知道,发展一种动物更喜欢用一只脚而不是两条腿站立的行为在进化上可能是有利的。

但这是有重要原因的,而且不是遗传的。这是物理学!实际上,这是热力学和热传递的科学,如果您在炎热的夏天去游泳池,则可能是第一手亲身经历的事情。毕竟,像所有哺乳动物和鸟类一样,人类和火烈鸟都是温血动物,即使在相对极端的条件下,其静息体温也比周围环境高。

如果您是一个处于约37°C(98.6°F)的静止身体温度的人类,当暴露在外界空气中时裸身站立时,您的身体热量将以特定的速率散失到周围的环境中。火烈鸟在41°C(106°F)时比一般人要热一些,它将散发热量的速度更快,因为火烈鸟的身体与周围空气之间的温差大于人与人之间的温差。尊重同一个空气。

但是,即使您将整个身体浸入水中而不是空气中,即使水中的温度与空气完全一样,您也会发现自己散发的热量非常快:比空气快25倍。寒冷环境中的热源失去热量的速度的最终决定因素是温度差,与环境接触的表面积以及热源与寒冷环境之间的热传递效率的综合作用。

对于人类来说,如果只将一只脚放在水中,直到脚踝,您将淹没身体总表面积的大约4%。由于人体与空气和水之间的热传递率不同,假设水和空气通过一只被淹没的脚,您损失的热量与整个身体的热量损失相同。是相同的温度。

那如果你是火烈鸟呢?如果火烈鸟的两条腿在水中站立,那么这些腿,尤其是那些具有巨大表面积的蹼状脚,很容易导致火烈鸟散发热量的速度快于仅在干燥土地上的发热量。

但是,如果火烈鸟在水中学会用一只脚而不是两条腿站立,那么它可以更有效地节省身体热量。

与一条腿站立在水中的火烈鸟相比,两条腿在水中的同一只火烈鸟会损失掉一只腿的火烈鸟损失的140-170%的体内总热量。这意味着确实学会了首选行为的火烈鸟(单腿站立)可以自由地在水中花费更多的时间:更多的时间进食,梳理自己,寻找水域等。

简而言之,学会站立在一只腿上的火烈鸟比站立在两只腿上的火烈鸟有更多的进化成功和生存的机会。火烈鸟可能还不够聪明,以至于知道站在水中的一条腿很重要,而在空中则没有那么多。取而代之的是,无论环境如何,火烈鸟都参与其中。而且,据科学家所知,没有基因可以站立。相反,当她抚养它们时,这种行为会从火烈鸟母亲传给她的后代。

对于火烈鸟而言,幸运的是,他们在一条腿上度过的时间并不特别有利(在干燥土地上)花费的时间似乎也不会妨碍他们的成功。在生物学中,行为适应通常是草率的,微不足道的解决方案,因为单腿站立的“有益”行为仅在水中时才有优势。但是对于火烈鸟来说,实践平衡也可能比我们意识到的还要有利。也许这毕竟是最佳行为。

我们可以通过简单地理解控制每一个温血动物生物学的物理学来理解行为生态学的某些方面,这是我们现实的一个奇妙的方面。尽管进化在很大程度上受遗传特性的支配,但有时获得性的行为特性可能会影响生存。当谈到火烈鸟单腿站立时,遗传学根本无法帮助您解决难题。为了那个原因?一点物理知识将带您回家。

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