Diese Forschung wurde teilweise durch einen University of Connecticut Research Advisory Council Faculty Large Grant an M. Rubega finanziert. K. Burgio wurde mit einem NrT-IGE-Stipendium der National Science Foundation #1545458 an M. Rubega unterstützt. Das Manuskript wurde durch das durchdachte Feedback von zwei anonymen Gutachtern deutlich verbessert.

Diese Arbeit beinhaltete keine Arbeit mit lebenden Tieren und war daher von der Überprüfung der Tierpflege ausgenommen.
1. Aufbau und Materialien (Abbildung 1)
<ol><li>Wenn keine flachen Häute der interessierenden Art verfügbar sind, verwenden Sie Spaws Protokoll29, um Häute aus frischen oder gefrorenen Exemplaren zu erstellen. Preen Federn in eine ordentliche, natürliche Position und trocken, um ein konstantes Gewicht zu erhalten, bevor Sie mit den Messungen fortfahren.</li>
	<li>Richten Sie ein Warmwasserbad mit konstanter Temperatur ein. HINWEIS: Diese Einrichtung ist ziemlich hoch, so dass es am einfachsten ist, das Heiße-Wasser-Bad auf dem Boden zu platzieren.</li>
	<li>Legen Sie eine Platte aus klarem Acrylglas (Table of Materials) über die Oberfläche des Warmwasserbades mit konstanter Temperatur. Das Glas ermöglicht die Übertragung der Wärme auf die Unterseite der Haut, ohne die Probe zu benetzen. HINWEIS: In dieser Pilotstudie wurde eine Acrylglasscheibe (0,125 zolldick) verwendet. Die Dicke des Glases beeinflusst nicht den Emissionsgrad30 des Materials (es wird immer 0,86 sein), aber es wird die absolute Temperatur an der Oberfläche des Glases beeinflussen(dh dickeres Glas führt zu einer niedrigeren Temperatur). Daher sollten alle Messungen mit einer Acrylglasscheibe gleicher Dicke durchgeführt werden.</li>
	<li>Legen Sie ein Stück Schaumstoffkernplatte (1 Zoll dick) mit einem kreisförmigen Loch (0,5 Durchmesser) über das Acrylglas. HINWEIS: Die Größe des Vogels sollte die Größe des Lochs und damit die Größe der ununterbrochenen Federung bestimmen, die Wärme von der Quelle erhält. Hier wird ein Loch mit einem Durchmesser von 0,5 verwendet, da diese Größe groß genug ist, um eine ausreichende Wärmeübertragung auf die Probe zu erreichen, während sie immer noch klein genug ist, um die Wärme unter den Brustfederbahnen (aller Vögel mit Ausnahme der kleinsten) zu zentrieren. Unabhängig von der Größe der thermischen Öffnung, um einen vergleichbaren und replizierbaren Wert für jeden Vogel zu erhalten, stellen Sie sicher, dass Sie Messungen mit Löchern der gleichen Größe durchführen.</li>
	<li>Befestigen Sie eine Wärmebildkamera an einem Stativ direkt über dem Setup mit dem minimalen Fokusabstand der Kamera. HINWEIS: Hier kommt eine FLIR SC655 Wärmebildkamera zum Einsatz (680 px x 480 px Auflösung, ±2 °C oder ±2% Lesegenauigkeit, 40 cm mindester Fokusabstand). Andere Kameras können sich in der Gradauflösung unterscheiden.</li>
	<li>Kalibrieren Sie die Kamera, indem Sie Folgendes in die Wärmebildkamera-Software eingeben:<ol>
<li>Ermitteln Sie die reflektierte Temperatur, indem Sie Aluminiumfolie (glänzende Seite nach oben) über den Schaum legen, wobei der Emissionsgrad in der Kamerakalibrierungssoftware auf 1,0 eingestellt ist. Machen Sie ein Wärmebild. Die Temperatur an der Oberfläche der Aluminiumfolie ist die reflektierte Temperatur, die der Umgebungstemperatur des Raumes ähnlich sein sollte.</li>
		<li>Legen Sie den Emissionsgradwert31 auf 0,95 fest. HINWEIS: 1) Der Emissionsgrad ist die relative Wärmemenge, die ein Objekt32 emittiert und von 0 bis 1 reicht. Ein Objekt mit einem hohen Emissionsgrad gibt eine große Menge an Wärme ab, während ein Objekt mit einem niedrigen Emissionsgrad wenig Wärmeabstrahlt 32. Dieser Wert stellt den Emissionsgrad von Federn dar. 2) Dieser Wert (0,95) ist umstritten. Cossins und Bowler behaupteten, dass Federn einen Emissionsgrad zwischen 0,90 und 0,95 haben, enthielten aber keine Beweise31. Hammel meldete einen Wert von 0,98, aber er erhielt diesen Wert von einer gefrorenen Probe, so dass es möglicherweise nicht genauist 33. Trotz des Mangels an Beweisen ist 0,95 Emissionsgrad der Wert, der am häufigsten in der Wärmebildkameraliteratur verwendet wird (wie Cossins und Bowler31 belegen).</li>
		<li>Stellen Sie sicher, dass die Umgebungstemperatur und die Luftfeuchtigkeit im Raum konstant sind. Diese Werte sollten vor jeder Messung gemessen und in der Kamerakalibrierungssoftware aktualisiert werden. Die Temperatur und Luftfeuchtigkeit aller Innenräume schwankt etwas, so dass die Aufzeichnung dieser Werte und deren Aktualisierung in der Software Messfehler reduziert. HINWEIS: Hier wird die FLIR ResearchIR Max-Software verwendet. Diese Software speichert nicht Daten für alle Bilder, daher ist es wichtig, alle diese Werte für jedes Bild aufzuzeichnen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Durchführung von Messungen
<ol><li>Stellen Sie das Warmwasserbad mit konstanter Temperatur auf eine Zieltemperatur ein (40 °C ist ein Proxy für die mittlere innere Kerntemperatur der meisten Singvögel)34. HINWEIS: Bei der Arbeit mit einer Art, deren Ruhekerntemperatur höher (z. B. Kolibris34)oder niedriger ist (z. B. Pinguine34 oder Laufvögel34,35),kann es angebracht sein, das Warmwasserbad entsprechend anzupassen. Abbildung 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Temperatur des Warmwasserbades und der Temperatur an der Oberfläche des Acrylglases (z. B. die tatsächliche Temperatur der Wärmequelle, der die flache Haut ausgesetzt ist).<ol>
<li>Die Ergebnisse dieses Protokolls (siehe Abbildung 5)deuten darauf hin, dass die Gewinnung von Messungen über einen Temperaturbereich hinweg auch Auffluss über thermische Leistungsunterschiede gibt. Um dies zu erreichen, folgen Sie dem Protokoll mit 5 °C-Schritten von 30-55 °C.</li>
	</ol></li>
	<li>Zeichnen Sie in der Wärmebildkamera-Software einen Kreis / eine Ellipse über das Loch im Schaum, aus dem die Wärme entweicht. Dadurch ist es möglich, diesen Bereich beim Auflegen der Haut auf den Schaum zu visualisieren, um sicherzustellen, dass der richtige Bereich auf der flachen Haut gemessen wird.</li>
	<li>Legen Sie die flache Hautprobe auf den Schaum mit dem interessierende Bereich über dem Loch. HINWEIS: Hier wird die Bauchregion jedes Vogels gemessen, da er nicht durch andere Körperteile wie den Flügel behindert wird und zentral genug ist, um nicht den Randeffekten ausgesetzt zu sein. Die Platzierung der Haut über dem Wärmeloch variiert je nach experimenteller Fragestellung. Im Allgemeinen wird empfohlen, direkt über einen Federtrakt und so weit wie möglich vom Hautrand entfernt zu platzieren. Stellen Sie sicher, dass Sie die Federn beim Platzieren der Haut nicht abflachen oder unordenten. Wenn nötig, bringen Sie sie in eine natürliche Position, sobald die Haut platziert ist.</li>
	<li>Warten Sie 15 Minuten, damit sich die Haut an die Wärmequelle gewöhnen kann. Werden zu früh Messungen durchgeführt, ist der Temperaturwert an der Oberfläche des Federfells zu niedrig. Hier stabilisiert sich die Temperaturübertragung durch Haut und Federn bei 15 min, so dass ein Warten von mehr als 15 min kein künstlich hohes Ergebnis liefert.</li>
	<li>Aufnahme eines Wärmebildes der flachen Haut.<ol>
<li>Stellen Sie den Emissionsgrad31 bis 0,95 ein, bevor Sie das Wärmebild aufnehmen.</li>
	</ol></li>
	<li>Entfernen Sie die Haut vom Schaum und machen Sie sofort ein Wärmebild des Setups ohne die flache Haut auf dem Schaum. Dieser quantifiziert die Temperatur an der Oberfläche des Acrylglases und kalibriert den Bereich der Wärmequelle mit dem Messbereich auf der flachen Haut.<ol>
<li>Hier beträgt der Emissionsgrad des verwendeten Acrylglases30 0,86. Stellen Sie sicher, dass Sie dies in der Wärmebildkamera-Software aufzeichnen, bevor Sie das Bild ohne Haut aufnehmen. HINWEIS: Die vom Warmwasserbad angezeigte Temperatur ist nicht unbedingt die Temperatur an der Oberfläche des Acrylglases (Abbildung 3), da seine Wärmeleitfähigkeit nicht perfekt ist. Die Verwendung der Temperatur des Glases reduziert Fehler bei der Schätzung, wie warm die Unterseite der Haut ist, und ist daher eine kombinierte Schätzung, wie viel Wärme durch die Haut und federn verloren geht.</li>
	</ol></li>
	<li>Legen Sie die Haut in der gleichen Position wieder auf den Schaum. Wiederholen Sie die Schritte 2.5 bis 2.6 für insgesamt fünf Versuche.<ol>
<li>Um die Probenhaut richtig zu platzieren, berühren Sie die Federn im Zielmessbereich vorsichtig mit einer Fingerspitze, entfernen Sie dann den Finger und betrachten Sie das Wärmebild. Die Restwärme des Fingers bleibt auf dem Wärmebild kurz sichtbar. Stellen Sie sicher, dass sich der Probenahmebereich innerhalb des in der Software gezeichneten sichtbaren Kreises befindet, der den Wärmebereich darstellt, der vom Warmwasserbad durch die Haut abstrahlt. Wenn dies nicht der Fall ist, bewegen Sie die Haut, bis sie es ist. Dieser Prozess ist in Abbildung 2dargestellt. HINWEIS: Während frische Häute (sofern verfügbar) die natürliche thermische Leistung der Haut bei einem lebenden Vogel besser darstellen können, ermöglicht die Verwendung trockener Haut für diese Messungen vergleichbare, wiederholbare Ergebnisse an einem viel größeren Pool von Proben. Daher sollten alle Messungen entweder mit auf konstantes Gewicht getrockneten Häuten oder sowohl auf der frischen als auch auf der getrockneten Haut von Proben durchgeführt werden.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Datenerfassung aus Wärmebildern
<ol><li>Jede Messung besteht aus zwei Wärmebildern: einem der flachen Haut und einem des Acrylglases. Öffnen Sie zunächst das Bild des Acrylglases. Richten Sie den in der Software gezeichneten Kreis mit dem im Bild sichtbaren Loch im Schaum aus. Notieren Sie den Temperaturwert in der Mitte des Kreises. HINWEIS: Weitere Informationen zum Extrahieren von Daten aus Wärmebildern finden Sie unter Senior et al.36.<ol>
<li>Stellen Sie sicher, dass Sie die Kamera mit den richtigen Werten kalibrieren. Stellen Sie den Emissionsgradvon 30 bis 0,86 ein und stellen Sie die Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit an die aktuellen Bedingungen im Labor ein, bevor Sie den Temperaturwert aufzeichnen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Öffnen Sie das Wärmebild der flachen Haut. Ohne den Kreis zu bewegen, notieren Sie den Temperaturwert in der Mitte des Kreises. HINWEIS: Da der Kreis nicht im Bild aufgezeichnet wird, ist es wichtig, die Platzierung des Kreises mit dem Bild des Acrylglases in Abschnitt 2.6 zu kalibrieren.<ol>
<li>Stellen Sie sicher, dass Sie die Kamera mit den richtigen Werten kalibrieren. Stellen Sie den Emissionsgrad31 auf 0,95 ein und stellen Sie sicher, dass die Umgebungstemperatur und die Luftfeuchtigkeit auf die aktuellen Bedingungen im Labor eingestellt sind, bevor Sie den Temperaturwert aufzeichnen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 3.1 bis 3.2 für alle Messungen aller Proben.</li>
</ol>4. Berechnung der thermischen Leistung
<ol><li>Subtrahieren Sie die Temperatur der Oberfläche der Federschicht von der Temperatur des Acrylglases. Dieser Wert stellt die wärmeabgespeicherte Wärme dar, die vom Federmantel zurückgehalten wird.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Morris, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Feather+Postures+of+Birds+and+the+Problem+of+the+Origin+of+Social+Signals.">The Feather Postures of Birds and the Problem of the Origin of Social Signals.</a> Behaviour. 9, 75-111 (1956).</li><li>Wetmore, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A Study of the Body Temperature of Birds. Smithsonian Miscellaneous Collections. 72 (12), (1921).</li><li>Hart, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seasonal+Acclimatization+in+Four+Species+of+Small+Wild+Birds.">Seasonal Acclimatization in Four Species of Small Wild Birds.</a> Physiological Zoology. 35 (3), 224-236 (1962).</li><li>Veghte, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+and+Metabolic+Responses+of+the+Gray+Jay+to+Cold+Stress.">Thermal and Metabolic Responses of the Gray Jay to Cold Stress.</a> Physiological Zoology. 37 (3), 316-328 (1964).</li><li>Brush, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energetics,+Temperature+Regulation+and+Circulation+in+Resting,+Active+and+Defeathered+California+Quail,+Lophortyx+californicus.">Energetics, Temperature Regulation and Circulation in Resting, Active and Defeathered California Quail, Lophortyx californicus.</a> Comparative Biochemistry and Physiology. 15, 399-421 (1965).</li><li>Dawson, W. R., Carey, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seasonal+Acclimatization+to+Temperature+in+Cardueline+Finches.">Seasonal Acclimatization to Temperature in Cardueline Finches.</a> Journal of Comparative Physiology. 112, 317-333 (1976).</li><li>Cooper, S. J., Swanson, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seasonal+Acclimatization+of+Thermoregulation+in+The+Black-Capped+Chickadee.">Seasonal Acclimatization of Thermoregulation in The Black-Capped Chickadee.</a> The Condor. 96, 638-646 (1994).</li><li>Bush, N. G., Brown, M., Downs, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seasonal+Effects+on+Thermoregulatory+Responses+of+the+Rock+Kestrel,+Falco+rupicolis.">Seasonal Effects on Thermoregulatory Responses of the Rock Kestrel, Falco rupicolis.</a> Journal of Thermal Biology. 33, 404-412 (2008).</li><li>Nzama, S. N., Downs, C. T., Brown, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seasonal+Variation+in+the+Metabolism-Temperature+Relation+of+House+Sparrows+(Passer+domesticus)+in+KwaZulu-Natal,+South+Africa.">Seasonal Variation in the Metabolism-Temperature Relation of House Sparrows (Passer domesticus) in KwaZulu-Natal, South Africa.</a> Journal of Thermal Biology. 35, 100-104 (2010).</li><li>Noakes, M. J., Wolf, B. O., McKechnie, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seasonal+Metabolic+Acclimatization+Varies+in+Direction+and+Magnitude+among+Populations+of+an+Afrotropical+Passerine+Bird.">Seasonal Metabolic Acclimatization Varies in Direction and Magnitude among Populations of an Afrotropical Passerine Bird.</a> Physiological and Biochemical Zoology. 90 (2), 178-189 (2016).</li><li>Taylor, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+insulation+of+the+down+and+feathers+of+pygoscelid+penguin+chicks+and+the+unique+properties+of+penguin+feathers.">Thermal insulation of the down and feathers of pygoscelid penguin chicks and the unique properties of penguin feathers.</a> The Auk. 103 (1), 160-168 (1986).</li><li>Ward, J. M., Houston, D. C., Ruxton, G. D., McCafferty, D. J., Cook, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+resistance+of+chicken+(Gallus+domesticus)+plumage:+a+comparison+between+broiler+and+free-range+birds.">Thermal resistance of chicken (Gallus domesticus) plumage: a comparison between broiler and free-range birds.</a> British poultry science. 42 (5), 558-563 (2001).</li><li>Ward, J. M., Ruxton, G. D., Houston, D. C., McCafferty, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+consequences+of+turning+white+in+winter:+a+comparative+study+of+red+grouse+Lagopus+lagopus+scoticus+and+Scandinavian+willow+grouse+L.+l.+lagopus.">Thermal consequences of turning white in winter: a comparative study of red grouse Lagopus lagopus scoticus and Scandinavian willow grouse L. l. lagopus.</a> Wildlife Biology. 13 (2), 120-130 (2007).</li><li>Lucas, A. M., Stettenheim, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Avian Anatomy: Integument. , (1972).</li><li>Osv&#225;th, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+feathered+are+birds?+Environment+predicts+both+mass+and+density+of+body+feathers.">How feathered are birds? Environment predicts both mass and density of body feathers.</a> Functional Ecology. 32, 701-712 (2018).</li><li>Pap, P. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+phylogenetic+comparative+analysis+reveals+correlations+between+body+feather+structure+and+habitat.">A phylogenetic comparative analysis reveals correlations between body feather structure and habitat.</a> Functional Ecology. 31 (6), 1241-1251 (2017).</li><li>Caccamise, D. F., Weathers, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Winter+Nest+Microclimate+of+Monk+Parakeets.">Winter Nest Microclimate of Monk Parakeets.</a> The Wilson Bulletin. 89 (2), 346-349 (1977).</li><li>Broggi, J., Gamero, A., Hohtola, E., Orell, M., Nilsson, J. &. #. 1. 9. 7. ;. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interpopulation+variation+in+contour+feather+structure+is+environmentally+determined+in+great+tits.">Interpopulation variation in contour feather structure is environmentally determined in great tits.</a> PLoS ONE. 6 (9), 24942 (2011).</li><li>Howell, S. N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Molt in North American Birds. , (2010).</li><li>Willoughby, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Unusual+Sequence+of+Molts+and+Plumages+in+Cassin's+and+Bachman's+Sparrows.">An Unusual Sequence of Molts and Plumages in Cassin's and Bachman's Sparrows.</a> The Condor. 88 (4), 461-472 (1986).</li><li>Wetmore, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Number+of+Contour+Feathers+in+Passeriform+and+Related+Birds.">The Number of Contour Feathers in Passeriform and Related Birds.</a> Auk. 53, 159-169 (1936).</li><li>Staebler, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Number+of+Contour+Feathers+in+the+English+Sparrow.">Number of Contour Feathers in the English Sparrow.</a> The Wilson Bulletin. 53 (2), 126-127 (1941).</li><li>Barnett, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seasonal+Changes+in+Temperature+Acclimatization+of+the+House+Sparrow,+Passer+domesticus.">Seasonal Changes in Temperature Acclimatization of the House Sparrow, Passer domesticus.</a> Comparative Biochemistry and Physiology. 33, 559-578 (1970).</li><li>Middleton, A. L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seasonal+Changes+in+Plumage+Structure+and+Body+Composition+of+the+American+Goldfinch,+Carduelis+tristis.">Seasonal Changes in Plumage Structure and Body Composition of the American Goldfinch, Carduelis tristis.</a> The Canadian Field-Naturalist. 100 (4), 545-549 (1986).</li><li>Lei, F. M., Qu, Y. H., Gan, Y. L., Gebauer, A., Kaiser, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+feather+microstructure+of+Passerine+sparrows+in+China.">The feather microstructure of Passerine sparrows in China.</a> Journal f&#252;r Ornithologie. 143 (2), 205-213 (2002).</li><li>D'alba, L., Carlsen, T. H., &#193;sgeirsson, &. #. 1. 9. 3. ;., Shawkey, M. D., J&#243;nsson, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contributions+of+feather+microstructure+to+eider+down+insulation+properties.">Contributions of feather microstructure to eider down insulation properties.</a> Journal of Avian Biology. 48 (8), 1150-1157 (2017).</li><li>Gilbert, C., Robertson, G., Le Maho, Y., Naito, Y., Ancel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Huddling+behavior+in+emperor+penguins:+dynamics+of+huddling.">Huddling behavior in emperor penguins: dynamics of huddling.</a> Physiology &amp; Behavior. 88, 479-488 (2006).</li><li>Kvadsheim, P. H., Folkow, L. P., Blix, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+device+for+measurement+of+the+thermal+conductivity+of+fur+and+blubber.">A new device for measurement of the thermal conductivity of fur and blubber.</a> Journal of thermal Biology. 19 (6), 431-435 (1994).</li><li>Spaw, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Combination Specimens a la Burke Museum. , 21-28 (1989).</li><li>Infrared Emissivity Table. ThermoWorks Available from: <a target="_blank" href="https://www.thermoworks.com/emissivity_table">https://www.thermoworks.com/emissivity_table</a> (2019)</li><li>Cossins, A. R., Bowler, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Temperature Biology of Animals. , (1987).</li><li>Hammel, H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Infrared+Emissivities+of+Some+Arctic+Fauna.">Infrared Emissivities of Some Arctic Fauna.</a> Journal of Mammalogy. 37 (3), 375-378 (1956).</li><li>McNab, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Analysis+of+the+Body+Temperatures+of+Birds.">An Analysis of the Body Temperatures of Birds.</a> The Condor. 68 (1), 47-55 (1966).</li><li>Crawford, E. C., Lasiewski, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxygen+Consumption+and+Respiratory+Evaporation+of+the+Emu+and+Rhea.">Oxygen Consumption and Respiratory Evaporation of the Emu and Rhea.</a> The Condor. 70, 333-339 (1968).</li><li>Senior, R. A., Hill, J. K., Edwards, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ThermStats:+An+R+Package+for+Quantifying+Surface+Thermal+Heterogeneity+in+Assessments+of+Microclimates.">ThermStats: An R Package for Quantifying Surface Thermal Heterogeneity in Assessments of Microclimates.</a> Methods in Ecology and Evolution. 10, 1606-1614 (2019).</li><li>. FLIR Systems, Inc Available from: <a target="_blank" href="https://www.flir.com">https://www.flir.com</a> (2019)</li><li>McCafferty, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+thermal+imaging+in+avian+science.">Applications of thermal imaging in avian science.</a> Ibis. 155 (1), 4-15 (2013).</li><li>Boonstra, R., Eadie, J. M., Krebs, C. J., Boutin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Limitations+of+Far+Infrared+Thermal+Imaging+in+Locating+Birds.">Limitations of Far Infrared Thermal Imaging in Locating Birds.</a> Journal of Field Ornithology. 66 (2), 192-198 (1955).</li><li>Rodbard, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Weight+and+Body+Temperature.">Weight and Body Temperature.</a> Science. 111 (2887), 465-466 (1950).</li></ol>

Die Autoren haben nichts preiszugeben.

Dieses Papier bietet ein Protokoll für wiederholbare, standardisierte Wärmebildmessungen von Vogel-Flachhautproben. Diese Methode ermöglicht es, die thermische Leistung des Federmantels zwischen Arten, innerhalb von Arten, zwischen vergleichbaren Individuen und an verschiedenen Stellen auf den Körpern von Individuen zu vergleichen, ohne das Exemplar zu zerstören.
Die Verfügbarkeit der notwendigen Materialien und Ausrüstungen kann eine Einschränkung dieser Methode sein. Obwohl Wärmebil...

Federn sind das bestimmende Merkmal von Vögeln und erfüllen viele Funktionen, darunter die Isolierung1. Vögel haben die höchsten durchschnittlichen Kerntemperaturen aller Wirbeltiergruppen, und Federn, die sie vor Umwelttemperaturänderungen isolieren, sind ein wichtiger Bestandteil der Energiebilanz, insbesondere in kalten Umgebungen2. Trotz der Bedeutung von Federn hat sich der Großteil der Literatur über Veränderungen des thermischen Zustands bei Vögeln auf metabolische Reaktionen auf Temperaturschwankungen konzentriert und nicht auf die Funktion von Federn als Isolierung3,4,5,6,7,8,9,10 (für weitere Details siehe Ward et al.) 11,12,13. Federn selbst können jedoch je nach Zeit, Individuen und Arten variieren.
Die hier vorgestellte Methode ist nützlich, um den gesamtthermischen Wert des Federfells allein zu quantifizieren. Es entfernt Störfaktoren bei lebenden Vögeln, wie z.B. Verhaltensthermoregulation1 und unterschiedliche Mengen an Isolierfett. Eine umfassendere Messung der thermischen Leistung von Federmänteln ist notwendig, um besser zu verstehen, wie Federn zur Isolierung beitragen und wie diese zwischen und innerhalb der Arten während der Lebensgeschichte und des Jahreszyklus eines Vogels variiert.
Federn isolieren Vögel, indem sie Luft sowohl zwischen haut und federn als auch in den Federn einfangen, und sie schaffen eine physische Barriere gegen Wärmeverlust14. Federn bestehen aus einem zentralen Federschaft, genannt Rachis, mit Vorsprüngen, die Barben14genannt werden. Barbules sind kleine, sekundäre Projektionen auf Widerhaken, die mit benachbarten Widerhaken ineinandergreifen, um die Feder zu "reißt" und ihr Struktur verleiht. Darüber hinaus fehlt Daunenfedern eine zentrale Rachis und haben wenige Barbulen, wodurch sie eine lose, isolierende Masse von Widerhaken über der Haut bilden14. Federmäntel variieren zwischen Den Arten15,16, innerhalb der Arten17,18und innerhalb vergleichbarer Individuen2,19,20,21,22,23,24. Es gibt jedoch wenig quantitative Informationen darüber, wie sich Variationen in der Anzahl der Federn, die relative Häufigkeit verschiedener Arten von Federn auf einem Vogel oder Änderungen in der Anzahl der Widerhaken / Barben auf die gesamte thermische Leistung eines Federfells auswirken. Frühere Studien konzentrierten sich auf die Bestimmung eines einzigen Mittelwerts der Isolierung und Wärmeleitfähigkeit für eine bestimmte Spezies11,12,13.
Es ist bekannt, dass das Federfell von Art zu Art variiert. Zum Beispiel haben die meisten Vögel unterschiedliche Hautbereiche, aus denen Federn wachsen oder nicht, die Pterylen und Apteria genannt werden, bzw.14. Die Platzierung der Pterylen (manchmal auch "Federtrakte" genannt) variiert je nach Art und hat einen gewissen Wert als taxonomisches Zeichen14. Einige Vögel (z. B. Laufvögel und Pinguine) haben diese Pterylose jedoch verloren und haben eine gleichmäßige Verteilung der Federn über den Körper14. Darüber hinaus haben verschiedene Arten, insbesondere solche, die verschiedene Umgebungen bewohnen, unterschiedliche Anteile an Federtypen15. Zum Beispiel haben Vögel, die kältere Klimazonen bewohnen, mehr Daunenfedern15 und Konturfedern mit einem größeren kleulaceösen Anteil16 als Arten, die wärmere Umgebungen bewohnen.
Die Mikrostruktur bestimmter Arten von Federn kann sich auch auf die Isolierung der Arten25,26auswirken. Lei et al. verglichen die Mikrostruktur der Konturfedern vieler chinesischer Passerine-Spatzen und fanden heraus, dass Arten, die kältere Umgebungen bewohnen, einen höheren Anteil an klempnösen Widerhaken in jeder Konturfeder, längere Barbules, höhere Knotendichte und größere Knoten aufweisen als Arten, die wärmere Umgebungen bewohnen25. D'alba et al. verglichen die Mikrostruktur von Daunenfedern von Eideten (Somateria mollissima) und Graugänsen (Anser anser) und beschrieben, wie sich diese Unterschiede sowohl auf die Kohäsivitätsfähigkeit der Federn als auch auf die Fähigkeit der Federn, Luft einzufangen, auswirken26. Quantitative Vergleichsdaten darüber, wie sich diese Variationen der Federung auf die gesamte thermische Leistung des Federfells über Arten hinweg auswirken, sind begrenzt (weitere Details finden Sie unter Taylor und Ward et al.). 11,13.
Innerhalb einer Art kann die thermische Leistung des Federmantels variieren. Einige Arten, wie der Mönchssittich (Myiopsitta monachus)17, bewohnen sehr große und vielfältige geografische Verbreitungsgebiete. Die unterschiedlichen thermischen Belastungen, die durch diese verschiedenen Umgebungen entstehen, können die Federmäntel von Vögeln innerhalb einer Art regional beeinflussen, aber es gibt derzeit keine Daten zu diesem Thema. Zusätzlich verglichen Broggi et al. zwei Populationen von Kohlmeisen (Parus major L.) auf der Nordhalbkugel. Sie zeigten, dass konturfedern der nördlicheren Population dichter, aber kürzer und weniger proportional klemulaceous waren als die der südlicheren Population. Diese Unterschiede verschwanden jedoch, als Vögel aus beiden Populationen am selben Ort aufgezogen wurden18.
Darüber hinaus erklärten Broggi et al. diese Ergebnisse als plastische Reaktion auf unterschiedliche thermische Bedingungen, aber sie maßen nicht die Isolationswerte dieser verschiedenen Federmäntel18. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die Konturfederdichte für die Isolierung wichtiger ist als der Anteil der plumulaceösen Widerhaken in Konturfedern, aber Broggi et al. schlugen vor, dass nördliche Populationen aufgrund eines Mangels an ausreichenden Nährstoffen möglicherweise nicht in der Lage sind, optimale Federn zu produzieren18. Quantitative Messungen der thermischen Gesamtleistung dieser Federmäntel würden das Verständnis der Bedeutung von Gefiederunterschieden fördern.
Im Laufe der Zeit variieren die Federmäntel der einzelnen Vögel. Mindestens einmal im Jahr häuten sich alle Vögel (ersetzen alle ihre Federn)19. Im Jahresende werden Federngetragen 2,20 und weniger zahlreich18,21,22,23. Einige Vögel häuten sich mehr als einmal im Jahr und geben ihnen jedes Jahr mehrere verschiedene Federmäntel19. Middleton zeigte, dass amerikanische Stieglitze(Spinus tristis),die sich zweimal im Jahr häuten, in den Wintermonaten eine höhere Anzahl von Federn und einen höheren Anteil an Daunenfedern in ihrem Grundgefieder haben als in ihrem alternativen Gefieder in den Sommermonaten24. Diese jährlichen Unterschiede im Federfell können es Vögeln ermöglichen, in kälteren Perioden passiv mehr Wärme zu sparen oder in warmen Jahreszeiten passiv mehr Wärme abzugeben, aber keine Studien haben dies schlüssig getestet.
Obwohl Vögel verhaltensmäßig1,27 thermoregulieren und sich metabolisch an verschiedene thermischeBedingungen 3,4,5,6,7,8,9,10,26akklimatisieren können , spielen Federn eine wichtige Rolle bei der Thermoregulation, indem sie eine konstante Isolationsschicht bereitstellen. Die hier beschriebene Methode soll Fragen über das Federfell allein und seine Rolle bei der passiven Thermoregulation (d.h. wie viel Wärme behält ein lebender Vogel, ohne sein Verhalten oder seinen Stoffwechsel zu verändern?) beantworten, indem die Federn isoliert werden. Während aktive und physiologische Thermoregulation ökologisch wichtig ist, ist es auch wichtig zu verstehen, wie die Federn allein bei der Isolierung helfen und wie sie die Notwendigkeit einer aktiven Verhaltens- und physiologischen Thermoregulation beeinflussen.
Frühere Studien haben Methoden zur Quantifizierung der Wärmeleitfähigkeit und Wärmeisolierung von Tierfellen11,12,13,28etabliert. Das hier vorgestellte Verfahren ist eine Erweiterung der Methode "bewachte Heizplatte"11,12,13,28. Das hier beschriebene Verfahren misst jedoch die Temperatur an der äußeren Grenze des Federmantels mit einer Wärmebildkamera anstelle von Thermoelementen. Die guarded hot plate Methode gibt sehr genaue Schätzungen des Energieflusses durch ein Fell, aber es erfordert den Bau einer Multi-Material-Heizplatte, eine gewisse Vertrautheit mit der Verwendung von Thermoelementen und Thermopiles und die zerstörerische Verwendung eines Fells, das in kleine Stücke geschnitten werden muss. Diese Stücke werden dann gefettet, um Luft zwischen der Probe und dem Heizplattenapparat zu entfernen. Mit Ausnahme der wenigen Vögel, denen Apteria fehlt (z. B. Pinguine), ist das Schneiden kleiner Quadrate aus Vogelhäuten für Vergleichszwecke problematisch, da die Lage des Schnitts große Auswirkungen auf die Anzahl der Federn hat, die tatsächlich an der Haut befestigt sind (und darüber liegt). Dieses Problem wird durch die Variation zwischen taxa in Der Anwesenheit, Größe und Platzierung von Ptyerlae14verschärft.
Während Museumsexemplare eine potenziell reiche Ressource für die Beurteilung der Unterschiede in der Isolierung zwischen Vögeln sein können, ist die Erlaubnis, Hautproben in wissenschaftlichen Sammlungen zu schneiden und zu fetten, im Allgemeinen unerreichbar. Darüber hinaus können Proben, die aus der Wildnis für bewachte Heizplattenmessungen entnommen wurden, nicht nachträglich als Museumsproben verwendet werden. Die hier vorgestellte Methode unterscheidet sich von der methode der bewachten Heizplatte dadurch, dass sie mit ganzen getrockneten Vogelhäuten verwendet werden kann, ohne dass 1) die Zerstörung der Probe erforderlich ist und 2) die Unterseite der Haut eingefettet wird. Es verwendet Wärmebildkameras, die zunehmend erschwinglich (wenn auch immer noch relativ teuer), präzise und für Live-Vogelmessungen von thermischen Beziehungen verwendet werden.
Diese Methode misst den Energiefluss (und damit die Wärmeleitfähigkeit oder den Isolationswert) durch die Haut und die Federn nicht direkt wie die methode der geschützten Heizplatte. Stattdessen misst es die Temperatur an der äußeren Grenze eines Federmantels mit einer Wärmebildkamera. Die resultierenden Werte stellen ein integriertes Maß für die Wärme dar, die passiv durch die Haut, Federn und dazwischen eingeschlossene Luft verloren geht (im Vergleich zu einer Wärmequelle darunter). Proben, die als flache Häute vorbereitet und mit der beschriebenen Technik gemessen wurden, können in Sammlungen aufbewahrt werden und bieten einen wertschöpfenden Wert für die zukünftige Forschung. Diese Methode bietet eine standardisierte, vergleichbare und relativ einfache Möglichkeit, die thermische Leistung des Federfells in jeder flachhäutigen Probe zu messen, was besonders bei inter- und intraspezifischen Vergleichen nützlich ist.

<table><tbody><tr><td>Aluminum Foil</td><td>Reynolds Wrap</td><td>109000831</td><td>30 square ft.; this exact model need not be used.</td></tr><tr><td>Foam Core Board</td><td>Foamular</td><td>20WE</td><td>1 in. x 4 ft. x 8 ft; this exact model need no be used.</td></tr><tr><td>General Purpose Water Bath</td><td>PolyScience</td><td>WB02</td><td>Ambiet +5 &amp;deg;C to 100 &amp;deg;C; &amp;plusmn;.01 &amp;deg;C</td></tr><tr><td>PDF Data logger</td><td>Elitech</td><td>RC-51H</td><td>Built in temperature and humidity sensor</td></tr><tr><td>Plexiglass</td><td>AdirOffice</td><td>1212-3-C</td><td>Acrylic glass; 12 in. x 12 in. x 1/8 in.; this exact model need not be used.</td></tr><tr><td>Thermal Image Analysis Software</td><td>FLIR</td><td>ResearchIR Max v4.40.7.26 (64-bit)</td><td>Allows collection of precise, quantitative thermal data</td></tr><tr><td>Thermal Imaging Camera</td><td>FLIR</td><td>SC655</td><td>680x480-pixel resolution, &amp;plusmn;2 &amp;deg;C or &amp;plusmn;2% accuracy, 40 cm minimum focusing distance</td></tr><tr><td>Tripod</td><td>The Audubon Shop</td><td>The Birder Tripod with Manfrotto 700RC2 Rapid Release Head</td><td>65&quot; maximum height; this exact model need not be used.</td></tr></tbody></table>

using a thermal camera to measure heat loss through bird feather coats

Federn sind für die Isolierung und damit für die Kosten der Thermoregulation bei Vögeln unerlässlich. Es gibt robuste Literatur über die energetischen Kosten der Thermoregulation bei Vögeln unter verschiedenen ökologischen Umständen. Nur wenige Studien charakterisieren jedoch den Beitrag der Federn allein zur Thermoregulation. Mehrere frühere Studien haben Methoden zur Messung des Isolationswertes von Tierfellen etabliert, erfordern jedoch zerstörerische Probenahmemethoden, die für Vögel problematisch sind, deren Federn nicht gleichmäßig über die Haut verteilt sind. Weitere Informationen werden benötigt über 1) wie der Beitrag von Federn zur Thermoregulation sowohl innerhalb als auch innerhalb der Arten variiert und 2) wie sich Federmäntel im Laufe von Raum und Zeit verändern können. Hier wird eine Methode zur schnellen und direkten Messung der thermischen Leistung von Federmänteln und der Haut mit getrockneten Ganzhautproben berichtet, ohne dass die Hautprobe zerstört werden muss. Diese Methode isoliert und misst den thermischen Gradienten über ein Federfell in einer Weise, die Messungen des Wärmeverlusts und der Stoffwechselkosten bei lebenden Vögeln, die Verhaltens- und physiologische Strategien zur Thermoregulation verwenden, nicht möglich sind. Die Methode verwendet eine Wärmebildkamera, die die schnelle Erfassung quantitativer Wärmedaten ermöglicht, um den Wärmeverlust von einer stabilen Quelle durch die Haut zu messen. Dieses Protokoll kann leicht auf verschiedene Forschungsfragen angewendet werden, ist auf alle Vogeltaxa anwendbar und erfordert keine Zerstörung der Hautprobe. Schließlich wird es das Verständnis der Bedeutung der passiven Thermoregulation bei Vögeln fördern, indem die Erhebung quantitativer Daten vereinfacht und beschleunigt wird.

Repräsentative Ergebnisse einer Serie von einem Individuum jeder von fünf Arten, gemessen bei sechs Temperaturen, sind in Abbildung 4 und Abbildung 5dargestellt. Diese zeigen, dass kleine Variationen in der Platzierung der Haut zu Schwankungen der Messwerte von bis zu 1,7 °C führen können.Abbildung 4 zeigt, wie das Training eines Prüfers die Wiederholbarkeit der Messungen erhöht. So wurde beispielsweise derselbe einzelne Haus...

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Using a Thermal Camera to Measure Heat Loss Through Bird Feather Coats

Dieses Protokoll beschreibt die Quantifizierung der Wärmeübertragung durch eine flachhäutige Vogelprobe mit einer Wärmebildkamera und einem Warmwasserbad. Die Methode ermöglicht die Gewinnung quantitativer, vergleichender Daten über die thermische Leistung von Federmänteln über Arten hinweg unter Verwendung von getrockneten Flachhautproben.

Verwenden einer Wärmebildkamera zur Messung des Wärmeverlusts durch Vogelfedermäntel

Feathers are essential to insulation, and therefore to the cost of thermoregulation,&#160;in birds. There is robust literature on the energetic cost of ...

using-a-thermal-camera-to-measure-heat-loss-through-bird-feather-coats

Research

JoVE Journal

Biology

3.4K Aufrufe.  University of Connecticut. Dieses Protokoll beschreibt die Quantifizierung der Wärmeübertragung durch eine flachhäutige Vogelprobe mit einer Wärmebildkamera und einem Warmwasserbad. Die Methode ermöglicht die Gewinnung quantitativer, vergleichender Daten über die thermische Leistung von Federmänteln über Arten hinweg unter Verwendung von getrockneten Flachhautproben.

Serie: Using a Thermal Camera to Measure Heat Loss Through Bird Feather Coats

Dual-mode Imaging of Cutaneous Tissue Oxygenation and Vascular Function

Accurate assessment of cutaneous tissue oxygenation and vascular function is important for appropriate detection, staging, and treatment of many health disorders such as chronic wounds. We report the development of a dual-mode imaging system for non-invasive and non-contact imaging of cutaneous tissue oxygenation and vascular function. The imaging system integrated an infrared camera, a CCD camera, a liquid crystal tunable filter and a high intensity fiber light source. A Labview interface was programmed for equipment control, synchronization, image acquisition, processing, and visualization. Multispectral images captured by the CCD camera were used to reconstruct the tissue oxygenation map. Dynamic thermographic images captured by the infrared camera were used to reconstruct the vascular function map. Cutaneous tissue oxygenation and vascular function images were co-registered through fiduciary markers. The performance characteristics of the dual-mode image system were tested in humans.

A dual-mode imaging system was developed for non-contact assessment of cutaneous tissue oxygenation and vascular function.

Dual-Mode-Imaging von Hautgewebe Oxygenation und Gefäßfunktion

Accurate assessment of cutaneous tissue oxygenation and vascular function is important for appropriate detection, staging, and treatment of many health ...

Forschung

Medizin

Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the milli-scale structure of barbs and barbules largely determines the directional pattern of reflected light; and through the macro-scale spatial structure of overlapping, curved feathers, these directional effects create the visual texture. Milli-scale and macro-scale effects determine where on the organism's body, and from what viewpoints and under what illumination, the iridescent colors are seen. Thus, the highly directional flash of brilliant color from the iridescent throat of a hummingbird is inadequately explained by its nano-scale structure alone and questions remain. From a given observation point, which milli-scale elements of the feather are oriented to reflect strongly? Do some species produce broader "windows" for observation of iridescence than others? These and similar questions may be asked about any organisms that have evolved a particular surface appearance for signaling, camouflage, or other reasons.
In order to study the directional patterns of light scattering from feathers, and their relationship to the bird's milli-scale morphology, we developed a protocol for measuring light scattered from biological materials using many high-resolution photographs taken with varying illumination and viewing directions. Since we measure scattered light as a function of direction, we can observe the characteristic features in the directional distribution of light scattered from that particular feather, and because barbs and barbules are resolved in our images, we can clearly attribute the directional features to these different milli-scale structures. Keeping the specimen intact preserves the gross-scale scattering behavior seen in nature. The method described here presents a generalized protocol for analyzing spatially- and directionally-varying light scattering from complex biological materials at multiple structural scales.

We present a non-destructive method for sampling spatial variation in the direction of light scattered from structurally complex materials. By keeping the material intact, we preserve gross-scale scattering behavior, while concurrently capturing fine-scale directional contributions with high-resolution imaging. Results are visualized in software at biologically-relevant positions and scales.

Mess-und Richtungs räumlich variierenden Lichtstreuung aus biologischem Material

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

Ingenieurwesen

A Rapid Laser Probing Method Facilitates the Non-invasive and Contact-free Determination of Leaf Thermal Properties

Plants can produce valuable substances such as secondary metabolites and recombinant proteins. The purification of the latter from plant biomass can be streamlined by heat treatment (blanching). A blanching apparatus can be designed more precisely if the thermal properties of the leaves are known in detail, i.e., the specific heat capacity and thermal conductivity. The measurement of these properties is time consuming and labor intensive, and usually requires invasive methods that contact the sample directly. This can reduce the product yield and may be incompatible with containment requirements, e.g., in the context of good manufacturing practice. To address these issues, a non-invasive, contact-free method was developed that determines the specific heat capacity and thermal conductivity of an intact plant leaf in about one minute. The method involves the application of a short laser pulse of defined length and intensity to a small area of the leaf sample, causing a temperature increase that is measured using a near infrared sensor. The temperature increase is combined with known leaf properties (thickness and density) to determine the specific heat capacity. The thermal conductivity is then calculated based on the profile of the subsequent temperature decline, taking thermal radiation and convective heat transfer into account. The associated calculations and critical aspects of sample handling are discussed.

A method was developed to determine the specific heat capacity and thermal conductivity of leaf tissue by non-invasive, contact-free near infrared laser probing, which requires less than 1 min per sample.

Ein Rapid-Laser Probing Verfahren erleichtert die Nicht-invasive und berührungslose Bestimmung der Blatt Thermische Eigenschaften

Plants can produce valuable substances such as secondary metabolites and recombinant proteins. The purification of the latter from plant biomass can be ...

Biochemie

Quantitative Visualization and Detection of Skin Cancer Using Dynamic Thermal Imaging

In 2010 approximately 68,720 melanomas will be diagnosed in the US alone, with around 8,650 resulting in death 1. To date, the only effective treatment for melanoma remains surgical excision, therefore, the key to extended survival is early detection 2,3. Considering the large numbers of patients diagnosed every year and the limitations in accessing specialized care quickly, the development of objective in vivo diagnostic instruments to aid the diagnosis is essential. New techniques to detect skin cancer, especially non-invasive diagnostic tools, are being explored in numerous laboratories. Along with the surgical methods, techniques such as digital photography, dermoscopy, multispectral imaging systems (MelaFind), laser-based systems (confocal scanning laser microscopy, laser doppler perfusion imaging, optical coherence tomography), ultrasound, magnetic resonance imaging, are being tested. Each technique offers unique advantages and disadvantages, many of which pose a compromise between effectiveness and accuracy versus ease of use and cost considerations. Details about these techniques and comparisons are available in the literature 4.
Infrared (IR) imaging was shown to be a useful method to diagnose the signs of certain diseases by measuring the local skin temperature. There is a large body of evidence showing that disease or deviation from normal functioning are accompanied by changes of the temperature of the body, which again affect the temperature of the skin 5,6. Accurate data about the temperature of the human body and skin can provide a wealth of information on the processes responsible for heat generation and thermoregulation, in particular the deviation from normal conditions, often caused by disease. However, IR imaging has not been widely recognized in medicine due to the premature use of the technology 7,8 several decades ago, when temperature measurement accuracy and the spatial resolution were inadequate and sophisticated image processing tools were unavailable. This situation changed dramatically in the late 1990s-2000s. Advances in IR instrumentation, implementation of digital image processing algorithms and dynamic IR imaging, which enables scientists to analyze not only the spatial, but also the temporal thermal behavior of the skin 9, allowed breakthroughs in the field.
In our research, we explore the feasibility of IR imaging, combined with theoretical and experimental studies, as a cost effective, non-invasive, in vivo optical measurement technique for tumor detection, with emphasis on the screening and early detection of melanoma 10-13. In this study, we show data obtained in a patient study in which patients that possess a pigmented lesion with a clinical indication for biopsy are selected for imaging. We compared the difference in thermal responses between healthy and malignant tissue and compared our data with biopsy results. We concluded that the increased metabolic activity of the melanoma lesion can be detected by dynamic infrared imaging.

We demonstrated that malignant pigmented lesions with increased metabolic activity generate quantifiable amounts of heat and the measurement of the transient thermal response of the skin to a cooling excitation allows quantitative identification of melanoma and other skin cancers (vs. non-proliferative nevi) at an early stage of the disease.

Quantitative Visualisierung und Erkennung von Hautkrebs mit Dynamic Thermal Imaging

In 2010 approximately 68,720 melanomas will be diagnosed in the US alone, with around 8,650 resulting in death 1. To date, the only effective treatment ...

Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including conductive, semi-conductive or nonconductive one-dimensional structures. This technique broadens the measurement scope of materials (conductive and nonconductive) and improves the accuracy and stability. If the sample (especially biomaterials, such as human head hair, spider silk, and silkworm silk) is not conductive, it will be coated with a gold layer to make it electronically conductive. The effect of parasitic conduction and radiative losses on the thermal diffusivity can be subtracted during data processing. Then the real thermal conductivity can be calculated with the given value of volume-based specific heat (&#961;cp), which can be obtained from calibration, noncontact photo-thermal technique or measuring the density and specific heat separately. In this work, human head hair samples are used to show how to set up the experiment, process the experimental data, and subtract the effect of parasitic conduction and radiative losses.

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials.

Thermische Charakterisierung von Transport-in-One-dimensional Solide Materialien

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer coefficient as a function of the liquid flow rate in a transparent pipe. With certain amendments, the approach is extended to gas-liquid flows, with a particular emphasis on the effect of a single elongated (Taylor) air bubble on heat transfer enhancement. A non-invasive thermography technique is applied to measure the instantaneous temperature of a thin metal foil heated electrically. The foil is glued to cover a narrow slot cut in the pipe. The thermal inertia of the foil is small enough to detect the variation in the instantaneous foil temperature. The test section can be moved along the pipe and is long enough to cover a considerable part of the growing thermal boundary layer.
At the beginning of each experimental run, a steady state with a constant water flow rate and heat flux to the foil is attained and serves as the reference. The Taylor bubble is then injected into the pipe. The heat transfer coefficient variations due to the passage of a Taylor bubble propagating in a vertical pipe is measured as function of the distance of the measuring point from the bottom of the moving Taylor bubble. Thus, the results represent the local heat transfer coefficients. Multiple independent runs preformed under identical conditions allow accumulating sufficient data to calculate reliable ensemble-averaged results on the transient convective heat transfer. In order to perform this in a frame of reference moving with the bubble, the location of the bubble along the pipe has to be known at all times. Detailed description of measurements of the length and of the translational velocity of the Taylor bubbles by optical probes is presented.

This manuscript describes methods aimed at measuring the local instantaneous convective heat transfer coefficients in a single or two-phase pipe flow. A simple optical method to determine the length and the propagation velocity of an elongated (Taylor) air bubble moving at a constant velocity is also presented.

Messungen der lokalen momentane konvektive Wärmeübertragung in einem Rohr - Einzel- und zwei-Phasen-Strömung

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that characterize the transport phenomena in a rotating channel are identified via the parametric analysis of the momentum and energy equations referring to a rotating frame of reference. Based on these dimensionless flow equations, an experimental strategy that links the design of the test module, the experimental program and the data analysis is formulated with the attempt to reveal the isolated Coriolis-force and buoyancy effects on heat transfer performances. The effects of Coriolis force and rotating buoyancy are illustrated using the selective results measured from rotating channels with various geometries. While the Coriolis-force and rotating-buoyancy impacts share several common features among the various rotating channels, the unique heat transfer signatures are found in association with the flow direction, the channel shape and the arrangement of heat transfer enhancement devices. Regardless of the flow configurations of the rotating channels, the presented experimental method enables the development of physically consistent heat transfer correlations that permit the evaluation of isolated and interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on the heat transfer properties of rotating channels.

Here, we present an experimental method for decoupling the interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on full-field heat transfer distributions of a rotating channel.

Abkoppeln Corioliskraft und rotierenden Auftrieb Auswirkungen auf Vollfeld Heat Transfer Eigenschaften eines rotierenden Kanals

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that ...

Thermal Imaging to Study Stress Non-invasively in Unrestrained Birds

Stress, a central concept in biology, describes a suite of emergency responses to challenges. Among other responses, stress leads to a change in blood flow that results in a net influx of blood to key organs and an increase in core temperature. This stress-induced hyperthermia is used to assess stress. However, measuring core temperature is invasive. As blood flow is redirected to the core, the periphery of the body can cool. This paper describes a protocol where peripheral body temperature is measured non-invasively in wild blue tits (Cyanistes caeruleus) using infrared thermography. In the field we created a set-up bringing the birds to an ideal position in front of the camera by using a baited box. The camera takes a short thermal video recording of the undisturbed bird before applying a mild stressor (closing the box and therefore capturing the bird), and the bird&#8217;s response to being trapped is recorded. The bare skin of the eye-region is the warmest area in the image. This allows an automated extraction of the maximum eye-region temperature from each image frame, followed by further steps of manual data filtering removing the most common sources of errors (motion blur, blinking). This protocol provides a time series of eye-region temperature with a fine temporal resolution that allows us to study the dynamics of the stress response non-invasively. Further work needs to demonstrate the usefulness of the method to assess stress, for instance to investigate whether eye-region temperature response is proportional to the strength of the stressor. If this can be confirmed, it will provide a valuable alternative method of stress assessment in animals and will be useful to a wide range of researchers from ecologists, conservation biologists, physiologists to animal welfare researchers.

There is a need for a non-invasive assessment of stress. This paper describes a simple protocol using thermal imaging to detect a significant response in eye-region temperature in wild blue tits to a mild acute stressor.

Wärmebild um Stress-nicht-invasiv in Hemmungslose Birds Studieren

Stress, a central concept in biology, describes a suite of emergency responses to challenges. Among other responses, stress leads to a change in blood ...

Neurowissenschaften

Infrared Thermography for the Detection of Changes in Brown Adipose Tissue Activity

Measuring brown adipose tissue (BAT) activity by positron emission tomography computed tomography (PET-CT) via the accumulation of 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) after a meal or in obese or diabetic patients fails as the method of choice. The main reason is that 18F-FDG competes with the postprandial high glucose plasma concentration for the same glucose transporter on the membrane of BAT cells. In addition, BAT uses fatty acids as a source of energy as well, which is not visible with PET-CT and could be changed along with glucose concentration in obese and diabetic patients. Therefore, to estimate the physiological importance of BAT in animals and humans, a new infrared thermography method used in recent publications is applied.
After overnight fasting, BAT activity was measured by infrared thermography before and after a meal in human volunteers and&#160;female wild-type mice. The camera software calculates the object&#39;s temperature using distance from the object, skin emissivity, reflected room temperature, air temperature, and relative humidity. In mice, the shaved area above the BAT was a region of interest for which average and maximal temperatures were measured. The phase of the estrous cycle in female mice was determined after an experiment by vaginal smears stained with cresyl violet (0.1%) stain solution. In healthy volunteers, two skin areas of the neck were selected: the supraclavicular area (above the collarbone, where BAT cells are present) and the interclavicular area (between the collarbones, where there is no BAT tissue detected). BAT activity is determined by the subtraction of those two values. Also, the average and maximal temperatures of skin areas could be determined in animals and human participants.
Changes in BAT activity after a meal measured by infrared thermography, a non-invasive and more sensitive method, were shown to be sex, age, and phase of the estrous cycle dependent in laboratory animals. As part of diet-induced thermogenesis, BAT activation in humans was also proven to be sex, age, and body mass index dependent. Further determining the pathophysiological changes in BAT activity after a meal will be of great importance for participants with high glucose plasma concentrations (obesity and diabetes mellitus type 2), as well as in different laboratory animals (knock-out mice). This method is also a variable tool for determining possible activating drugs that could rejuvenate BAT activity.

Here, we present a protocol for measuring brown adipose tissue activity after a meal in humans and laboratory animals.

Infrarot-Thermografie zur Detektion von Veränderungen der Aktivität des braunen Fettgewebes

Measuring brown adipose tissue (BAT) activity by positron emission tomography computed tomography (PET-CT) via the accumulation of 18F-fluorodeoxyglucose ...

Using a Combination of Indirect Calorimetry, Infrared Thermography, and Blood Glucose Levels to Measure Brown Adipose Tissue Thermogenesis in Humans

In mammals, brown adipose tissue (BAT) is activated rapidly in response to cold in order to maintain body temperature. Although BAT has been studied greatly in small animals, it is difficult to measure the activity of BAT in humans. Therefore, little is known about the heat-generating capacity and physiological significance of BAT in humans, including the degree to which components of the diet can activate BAT. This is due to the limitations in the currently most used method to assess the activation of BAT-radiolabeled glucose (fluorodeoxyglucose or 18FDG) measured by positron emission tomography-computerized tomography (PET-CT).
This method is usually performed in fasted subjects, as feeding induces glucose uptake by the muscles, which can mask the glucose uptake into the BAT. This paper describes a detailed protocol for quantifying total-body human energy expenditure and substrate utilization from BAT thermogenesis by combining indirect calorimetry, infrared thermography, and blood glucose monitoring in carbohydrate-loaded adult males. To characterize the physiological significance of BAT, measures of the impact of BAT activity on human health are critical. We demonstrate a protocol to achieve this by combining carbohydrate loading and indirect calorimetry with measurements of supraclavicular changes in temperature. This novel approach will help to understand the physiology and pharmacology of BAT thermogenesis in humans.

Here, we present a protocol to quantify the physiological significance of the impact of brown adipose tissue (BAT) activity on human metabolism. This is achieved by combining carbohydrate loading and indirect calorimetry with measurements of supraclavicular changes in temperature. This novel approach can help develop a pharmacological target for BAT thermogenesis in humans.

Verwendung einer Kombination aus indirekter Kalorimetrie, Infrarot-Thermografie und Blutzuckerspiegeln zur Messung der Thermogenese von braunem Fettgewebe beim Menschen

In mammals, brown adipose tissue (BAT) is activated rapidly in response to cold in order to maintain body temperature. Although BAT has been studied ...