Usando uma câmera térmica para medir a perda de calor através de casacos de penas de pássaro

Resumo

Este protocolo descreve a quantificação da transmissão de calor através de um espécime aviário de pele plana usando uma câmera térmica e banho de água quente. O método permite a obtenção de dados quantitativos e comparativos sobre o desempenho térmico de casacos de penas entre espécies usando amostras secas de pele plana.

Resumo

As penas são essenciais para o isolamento e, portanto, para o custo da termoregulação, nas aves. Há literatura robusta sobre o custo energético da termoregulação em aves em uma variedade de circunstâncias ecológicas. No entanto, poucos estudos caracterizam a contribuição das penas apenas para a termoregulação. Vários estudos anteriores estabeleceram métodos para medir o valor de isolamento das peles de animais, mas exigem métodos de amostragem destrutivos que são problemáticos para as aves, cujas penas não são distribuídas uniformemente pela pele. Mais informações são necessárias sobre 1) como a contribuição das penas para a termoregulação varia tanto entre as espécies quanto dentro das espécies e 2) como os casacos de penas podem mudar ao longo do espaço e do tempo. Relatado aqui é um método para medir de forma rápida e direta o desempenho térmico de casacos de penas e a pele usando amostras secas de pele inteira, sem a necessidade de destruir o espécime da pele. Este método isola e mede o gradiente térmico através de uma camada de penas de forma que as medidas de perda de calor e custo metabólico em aves vivas, que usam estratégias comportamentais e fisiológicas para termoregular, não podem. O método emprega uma câmera térmica, que permite a rápida coleta de dados térmicos quantitativos para medir a perda de calor de uma fonte estável através da pele. Este protocolo pode ser facilmente aplicado a várias questões de pesquisa, é aplicável a qualquer taxa aviária, e não requer destruição do espécime da pele. Por fim, aprofundará a compreensão da importância da termoregulação passiva nas aves, simplificando e acelerando a coleta de dados quantitativos.

Introdução

As penas são a característica definidora das aves e servem muitas funções, entre as mais cruciais sendo o isolamento¹. As aves têm as maiores temperaturas médias do núcleo de qualquer grupo de vertebrados, e as penas isolando-as das mudanças de temperatura ambiental são uma parte vital do equilíbrio energético, especialmente em ambientes frios². Apesar da importância das penas, a maioria da literatura sobre mudanças na condição térmica nas aves tem focado nas respostas metabólicas à variação da temperatura em vez da função das penas como isolamento^3,4,5,^6,7,8,9,10 (para maiores detalhes, consulte Ward et al.) ^11,12,13. No entanto, as penas em si podem variar ao longo do tempo, indivíduos e espécies.

O método aqui apresentado é útil para quantificar apenas o valor térmico total do casaco de penas. Remove fatores confusos em aves vivas, como termoregulação comportamental¹ e quantidades variadas de gordura isolante. Uma medição mais difundida do desempenho térmico dos casacos de penas é necessária para melhorar a compreensão de como as penas contribuem para o isolamento e como isso varia entre e dentro das espécies ao longo da história de vida e do ciclo anual de uma ave.

As penas isolam as aves prendendo o ar tanto entre a pele e as penas quanto dentro das penas, e criam uma barreira física para a perda de calor¹⁴. As penas consistem em um eixo central de penas, chamado rachis, com projeções chamadas farpas¹⁴. Os barbulos são pequenas projeções secundárias em farpas que se entrelaçam com farpas adjacentes para "fechar" a pena e dar-lhe estrutura. Além disso, as penas para baixo carecem de um rachis central e têm poucos bulos, formando assim uma massa solta e isolante de farpas sobre a pele¹⁴. As camadas de penas variam entre as espécies^15,16, dentro das espécies^17,18, e dentro dos indivíduos^{comparáveis 2,19,20,21,22,23,24}. No entanto, há pouca informação quantitativa sobre como variações no número de penas, a abundância relativa de diferentes tipos de penas em um pássaro, ou mudanças no número de farpas/barbulos afetam o desempenho térmico geral de um casaco de penas. Estudos anteriores se concentraram em determinar um único valor médio de isolamento e condutividade térmica para uma determinada espécie^11,12,13.

O casaco de penas é conhecido por variar entre as espécies. Por exemplo, a maioria das aves tem áreas distintas de pele das quais as penas crescem, ou não, chamadas de pterylae e apteria,^{respectivamente 14}. A colocação do pterylae (às vezes chamado de "tratos de penas") varia entre as espécies e tem algum valor como caráter taxonômico¹⁴. No entanto, algumas aves (ou seja, ratites e pinguins) perderam essa pterylosis e têm uma distribuição uniforme de penas em todo o corpo¹⁴. Além disso, diferentes espécies, especialmente aquelas que habitam ambientes diferentes, possuem proporções diferentes dos tipos de penas¹⁵. Por exemplo, aves que habitam climas mais frios têm penas mais para baixo¹⁵ e penas de contorno com uma porção plumulaceous maior¹⁶ do que espécies que habitam ambientes mais quentes.

A microestrutura de certos tipos de penas também pode ter um efeito sobre o isolamento entre as espécies^25,26. Lei et al. compararam a microestrutura das penas de contorno de muitos pardais passantes chineses e descobriram que as espécies que habitam ambientes mais frios têm uma proporção maior de farpas plumurosas em cada pena de contorno, barras mais longas, maior densidade de nó e nódulos maiores do que espécies que habitam ambientes mais quentes²⁵. D'alba et al. comparou a microestrutura de penas para baixo de eiderscomuns (Somateria mollissima) e gansos de graylag(Anser anser) e descreveu como essas diferenças afetam tanto a capacidade coesa das penas quanto a capacidade das penas de prender o ar²⁶. Os dados comparativos quantitativos sobre como essas variações nas penas afetam o desempenho térmico geral da camada de penas entre as espécies são limitados (para mais detalhes, consulte Taylor e Ward et al.) ^11,13.

Dentro de uma espécie, o desempenho térmico do casaco de penas pode variar. Algumas espécies, como o periquito-monge(Myiopsitta monachus)¹⁷, habitam faixas geográficas muito grandes e diversas. As diferentes tensões térmicas colocadas por esses diferentes ambientes podem afetar as camadas de penas das aves dentro de uma espécie regionalmente, mas atualmente não há dados disponíveis sobre este tema. Além disso, Broggi et al. compararam duas populações de grandes tetas (Parus major L.) no hemisfério norte. Eles demonstraram que as penas de contorno da população mais ao norte eram mais densas, mas mais curtas e menos proporcionalmente depreciadas do que as da população mais sulista. No entanto, essas diferenças desapareceram quando aves de ambas as populações foram criadas no mesmo local¹⁸.

Além disso, Broggi et al. explicaram esses achados como uma resposta plástica às diferentes condições térmicas, mas não mediram os valores de isolamento desses diferentes casacos de penas¹⁸. Os resultados também sugerem que a densidade de penas de contorno é mais importante para o isolamento do que a proporção de farpas plumulaceous em penas de contorno, mas Broggi et al. sugeriram que as populações do norte podem ser incapazes de produzir penas ideais devido à falta de nutrientes adequados¹⁸. Medições quantitativas do desempenho térmico geral dessas camadas de penas aumentariam a compreensão da significância das diferenças de plumagem.

Com o tempo, as capas de penas de pássaros individuais variam. Pelo menos uma vez por ano, todas as aves molt (substituir todas as suas penas)¹⁹. Com o passar do ano, as penas passam a ser usadas^2,20 e menos numerosas^18,21,22,23. Alguns pássaros molt mais de uma vez por ano, dando-lhes vários casacos de penas distintas a cada ano¹⁹. Middleton mostrou que as goldfinchesamericanas (Spinus tristis),que se fundem duas vezes ao ano, têm um maior número de penas e maior proporção de penas caídas em sua plumagem básica nos meses de inverno do que em sua plumagem alternativa durante os meses de verão²⁴. Essas diferenças anuais na camada de penas podem permitir que as aves economizem mais calor durante períodos mais frios passivamente ou derramem mais calor passivamente durante as estações quentes, mas nenhum estudo testou isso conclusivamente.

Embora as aves se subormem comportamentalmente^1,27 e possam se aclimatar metabolicamente a diferentes condições térmicas^{3,4,5,6,7,8,9,10,26}, as penas desempenham um papel importante na termoregulação, fornecendo uma camada constante de isolamento. O método descrito aqui é projetado para responder perguntas apenas sobre o casaco de penas e seu papel na termoregulação passiva (ou seja, quanto calor um pássaro vivo retém sem modificar seu comportamento ou metabolismo?) isolando as penas. Embora a termoregulação ativa e fisiológica seja ecologicamente importante, também é importante entender como as penas sozinhas auxiliam no isolamento e como influenciam a necessidade de termoregulação comportamental e fisiológica ativa.

Estudos anteriores estabeleceram métodos para quantificar a condutividade térmica e o isolamento térmico das peles de animais^11,12,13,28. O método aqui apresentado é uma extensão do método "placa quente guardada"^11,12,13,28. No entanto, o método descrito aqui mede a temperatura no limite externo do casaco de penas usando uma câmera térmica, em vez de termopares. O método de placa quente guardada dá estimativas muito precisas de fluxo de energia através de uma pele, mas requer a construção de uma placa quente multimaterial, alguma familiaridade com o uso de termoparles e termeléques, e uso destrutivo de uma pele que deve ser cortada em pequenos pedaços. Essas peças são então untadas para eliminar o ar entre a amostra e o aparelho de placa quente. Com exceção das poucas aves que não possuem apteria (por exemplo, pinguins), cortar pequenos quadrados de peles de aves é problemático para fins comparativos, uma vez que a localização do corte tem grandes efeitos sobre o número de penas realmente ligadas (e sobrelvando) a pele. Esse problema é agravado pela variação entre os impostos na presença, tamanho e colocação do ptyerlae¹⁴.

Além disso, enquanto os espécimes de museus podem ser um recurso potencialmente rico para avaliar a variação do isolamento entre as aves, em geral, a permissão para cortar e lubrificar espécimes de pele em coleções científicas é inatingível. Além disso, espécimes retirados da natureza para medições de placas quentes guardadas não podem ser posteriormente usados como espécimes de museu. O método aqui apresentado difere do método de placa quente guardada na medida em que pode ser usado com peles inteiras de aves secas, sem 1) exigindo a destruição do espécime e 2) lubrificando a parte inferior da pele. Ele usa câmeras térmicas, que são cada vez mais acessíveis (embora ainda relativamente caras), precisas e usadas para medições de aves vivas de relações térmicas.

Este método não mede o fluxo de energia (e, portanto, o valor de condutividade térmica ou isolamento) através da pele e das penas diretamente como o método de placa quente guardado. Em vez disso, mede a temperatura no limite externo de um casaco de penas usando uma câmera térmica. Os valores resultantes representam uma medida integrada do calor perdido passivamente através da pele, penas e ar preso entre eles (em comparação com uma fonte de calor por baixo). Os espécimes preparados como peles planas e medidos usando a técnica descrita podem ser armazenados em coleções e, indefinidamente, fornecem valor para futuras pesquisas. Este método fornece uma maneira padronizada, comparável e relativamente simples de medir o desempenho térmico do casaco de penas em qualquer espécime de pele plana, que é especialmente útil em comparações inter e intraespecíficas.

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Protocolo

Este trabalho não envolveu nenhum trabalho com animais vivos e, portanto, foi isento de revisão de cuidados com animais.

1. Configuração e materiais (Figura 1)

1. Se as peles planas da espécie de interesse não estiverem disponíveis, use o protocolo²⁹ da Spaw para criar peles de espécimes frescos ou congelados. Preen penas em uma posição limpa, natural e seca para obter um peso constante antes de prosseguir com as medidas.
2. Configure um banho de água quente de temperatura constante.
   NOTA: Esta configuração é bastante alta, por isso é mais fácil colocar o banho de água quente no chão.
3. Coloque uma folha de vidro acrílico clarosobrea superfície do banho de água quente de temperatura constante. O vidro permite a transmissão do calor para a parte inferior da pele sem molhar o espécime.
   NOTA: Este estudo piloto utilizou uma folha de vidro acrílico (0,125 de espessura). A espessura do vidro não afetará a emissividade³⁰ do material (sempre será 0,86), mas afetará a temperatura absoluta na superfície do vidro (ouseja, o vidro mais grosso resultará em uma temperatura mais baixa). Assim, todas as medidas devem ser tomadas utilizando uma folha de vidro acrílico da mesma espessura.
4. Coloque um pedaço de placa do núcleo de espuma (1 em espessura) com um orifício circular (0,5 de diâmetro) sobre o vidro acrílico.
   NOTA: O tamanho da ave deve guiar o tamanho do orifício e, portanto, o tamanho das penas ininterruptas recebendo calor da fonte. Aqui, é utilizado um orifício de 0,5 de diâmetro, pois este tamanho é grande o suficiente para alcançar transmissão térmica suficiente para o espécime, enquanto ainda é pequeno o suficiente para centralizar o calor sob os tratos de penas de peito (de todas as aves, exceto as menores). Independentemente do tamanho da abertura térmica, para obter um valor comparável e replicável para cada pássaro, certifique-se de realizar medições com orifícios do mesmo tamanho.
5. Conecte uma câmera térmica a um tripé diretamente acima da configuração na distância mínima de foco da câmera.
   NOTA: Aqui, é utilizada uma câmera térmica FLIR SC655 (resolução de 680 px x 480 px, ±2 °C ou ±2% de precisão de leitura, 40 cm de distância mínima de foco). Outras câmeras podem diferir em resolução de grau.
6. Calibrar a câmera digitando o seguinte no software da câmera térmica:
   1. Encontre a temperatura refletida colocando papel alumínio (lado brilhante voltado para cima) sobre a espuma com o valor de emissividade definido para 1.0 no software de calibração da câmera. Tire uma imagem térmica. A temperatura na superfície da folha de alumínio é a temperatura refletida, que deve ser semelhante à temperatura ambiente da sala.
   2. Defina o valor da emissividade^{de 31} a 0,95.
      NOTA: 1) Emissividade é a quantidade relativa de calor que um objeto emite³² e varia de 0 a 1. Um objeto com alto valor de emissividade emite uma grande quantidade de calor, enquanto um objeto com baixo valor de emissividade irradia pouco calor³². Esse valor representa a emissividade das penas. 2) Esse valor (0,95) é contestado. Cossins e Bowler alegaram que as penas têm um valor de emissividade entre 0,90-0,95, mas não incluíram nenhuma evidência³¹. Hammel relatou um valor de 0,98, mas obteve esse valor de um espécime congelado, portanto pode não ser preciso³³. Apesar da falta de evidências, a emissividade 0,95 é o valor mais utilizado na literatura de câmeras térmicas (como evidenciado por Cossins e Bowler³¹).
   3. Certifique-se de que a temperatura ambiente e a umidade no quarto são constantes. Esses valores devem ser medidos antes de cada medição e atualizados no software de calibração da câmera. A temperatura e a umidade de todas as salas internas flutuarão um pouco, então registrar esses valores e atualizá-los no software reduz o erro de medição.
      NOTA: Aqui, o software FLIR ResearchIR Max é usado. Este software não salva dados para todas as imagens, por isso é crucial registrar todos esses valores para cada imagem.

2. Desempenho das medições

1. Coloque a temperatura constante de banho de água quente a uma temperatura-alvo (40 °C é um proxy para a temperatura média interna do núcleo da maioria das aves transeuntes)³⁴.
   NOTA: Se trabalhar com uma espécie cuja temperatura do núcleo de repouso é maior (por exemplo, beija-flores³⁴) ou inferior (por exemplo, pinguins³⁴ ou ratites^34,35), pode ser apropriado ajustar o banho de água quente em conformidade. A Figura 3 mostra a relação entre a temperatura do banho de água quente e a temperatura na superfície do vidro acrílico (por exemplo, a temperatura real da fonte de calor a que a pele plana está exposta).
   1. Os resultados obtidos a partir deste protocolo (ver Figura 5) sugerem que a obtenção de medições em uma faixa de temperaturas também é informativa das diferenças de desempenho térmico. Para isso, siga o protocolo usando incrementos de 5 °C de 30 a 55 °C.
2. No software da câmera térmica, desenhe um círculo/elipse sobre o orifício na espuma onde o calor está escapando. Isso permite visualizar essa área ao colocar a pele na espuma para garantir que a área correta na pele plana seja medida.
3. Coloque o espécime de pele plana na espuma com a área de interesse sobre o orifício.
   NOTA: Aqui, a região da barriga de cada pássaro é medida, pois não é obstruída por outras partes do corpo, como a asa e está localizada centralmente o suficiente para não ser submetida a efeitos de borda. A colocação da pele sobre o orifício de calor vai variar de acordo com a questão experimental. Em geral, recomenda-se a colocação diretamente sobre um trato de penas, e o mais longe possível da borda da pele. Certifique-se de não achatar ou desordenar as penas ao colocar a pele. Se necessário, preená-los em uma posição natural uma vez que a pele é colocada.
4. Espere 15 min para permitir que a pele se aclimata à fonte de calor. Se as medidas forem feitas muito cedo, o valor da temperatura na superfície da camada de penas será muito baixo. Aqui, a transmissão de temperatura através da pele e das penas estabilizou em 15 minutos, então esperar mais de 15 min não produzirá um resultado artificialmente alto.
5. Tirando uma imagem térmica da pele plana.
   1. Defina o valor de emissividade^{de 31} a 0,95 antes de tirar a imagem térmica.
6. Remova a pele da espuma e pegue imediatamente uma imagem térmica da configuração sem a pele plana na espuma. Isso quantifica a temperatura na superfície do vidro acrílico e calibra a área da fonte de calor com a área de medição na pele plana.
   1. Aqui, a emissividade do vidro acrílico usado³⁰ é 0,86. Certifique-se de gravar isso no software da câmera térmica antes de tirar a foto sem a pele.
      NOTA: A temperatura exibida pelo banho de água quente não é necessariamente a temperatura na superfície do vidro acrílico(Figura 3),uma vez que sua condução térmica não é perfeita. Usar a temperatura do vidro reduz os erros na estimativa de quão quente é a parte inferior da pele e, portanto, é uma estimativa combinada de quanto calor é perdido através da pele e das penas.
7. Coloque a pele de volta na espuma na mesma posição. Repita as etapas 2.5-2.6 para um total de cinco ensaios.
   1. Para colocar a pele do espécime corretamente, toque suavemente as penas na área de medição do alvo com uma ponta de dedo, em seguida, remova o dedo e veja a imagem térmica. O calor residual do dedo permanecerá visível brevemente na imagem térmica. Verifique se a área de amostragem está dentro do círculo visível desenhado no software, que representa a área de calor irradiando através da pele a partir do banho de água quente. Se não for, mova a pele até que esteja. Este processo é ilustrado na Figura 2.
      NOTA: Embora as peles frescas (quando disponíveis) possam representar o desempenho térmico natural da pele em um pássaro vivo mais de perto, o uso de peles secas para essas medidas permitem resultados comparáveis e repetitivos em um pool muito maior de espécimes. Portanto, todas as medidas devem ser tomadas usando peles secas a peso constante, ou na pele fresca e seca dos espécimes.

3. Coleta de dados a partir de imagens térmicas

1. Cada medição consiste em duas imagens térmicas: uma da pele plana e uma do vidro acrílico. Primeiro, abra a imagem do vidro acrílico. Alinhe o círculo desenhado no software com o orifício na espuma visível na imagem. Regisso valor da temperatura no centro do círculo.
   NOTA: Para obter mais detalhes sobre a extração de dados de imagens térmicas, consulte Senior et al.³⁶.
   1. Certifique-se de calibrar a câmera com os valores adequados. Defina a emissividade^{de 30} a 0,86 e defina a temperatura ambiente e a umidade para corresponder às condições atuais no laboratório, antes de registrar o valor da temperatura.
2. Abra a imagem térmica da pele plana. Sem mover o círculo, regisse o valor da temperatura no centro do círculo.
   NOTA: Como o círculo não está registrado na imagem, é importante calibrar a colocação do círculo com a imagem do vidro acrílico tirada na seção 2.6.
   1. Certifique-se de calibrar a câmera com os valores adequados. Defina a emissividade^{de 31} a 0,95, e certifique-se de definir a temperatura ambiente e a umidade para as condições atuais no laboratório, antes de registrar o valor da temperatura.
3. Repita as etapas 3.1-3.2 para todas as medições de todas as amostras.

4. Cálculo do desempenho térmico

1. Subtraia a temperatura da superfície do casaco de penas da temperatura do vidro acrílico. Este valor representa o calor retido pelo casaco de penas.

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Resultados

Os resultados representativos de uma série de um indivíduo de cada uma das cinco espécies, medidos a seis temperaturas, são apresentados na Figura 4 e Figura 5. Estes mostram que pequenas variações na colocação da pele podem resultar em variações nas leituras de até 1,7 °C. A Figura 4 mostra como o treinamento de um pesquisador aumenta a repetibilidade das medidas. Por exemplo, o mesmo pardal individual da casa (Pass...

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Discussão

Este artigo fornece um protocolo para medições de imagem térmica repetíveis e padronizadas de amostras de pele plana aviária. Este método permite comparar o desempenho térmico da camada de penas entre espécies, dentro das espécies, entre indivíduos comparáveis, e em diferentes locais nos corpos dos indivíduos, tudo sem destruição do espécime.

A disponibilidade de materiais e equipamentos necessários pode ser uma limitação deste método. Embora as câmeras térmicas estejam ra...

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Materiais

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