鸟类在飞行中的睡眠问题

众所周知，一些雨燕、鸣禽、鸻鹬类和海鸟在穿越地球的迁徙过程中会连续飞行几天、几周甚至几个月。考虑到睡眠丧失对飞行的不利影响，通常认为这些鸟类必须通过在飞行过程中睡眠,来满足它们每天休息的需要。

迁徙中的鸿雁群(Anser cygnoides)

摄影: 亦诺

迁徙中的蛎鹬群(Haematopus ostralegus)

摄影: 刘建国

迁徙中的白腰杓鹬群(Numenius arquata)

摄影: 刘建国

在飞行中半睡半醒还是持续保持清醒?

 

一只鸟怎么能在飞行中睡觉而不撞上障碍物或从天上掉下来呢？解决方法或许是一次只关闭大脑的一半，正如绿头鸭在陆地上危险的环境中睡觉时所表现的那样。绿头鸭在群体边缘睡觉时，它会保持大脑一个半球的清醒，相应的眼睛睁大，并远离其他鸟类，朝向潜在的威胁。根据这些发现和海豚可以在单侧睡眠的情况下游泳这一事实，通常认为鸟类也依靠这种类似自动驾驶的方法在飞行中导航并保持空气动力学控制。

然而，鸟类也有可能进化出另一种欺骗睡眠的方法。睡眠研究人员最近发现，雄性红颈滨鹬为了争夺雌性，可以适应连续飞行, 其间睡眠很少，这增加了鸟类在飞行中完全放弃睡眠的可能性。因此，连续飞行的证据并不是飞行中睡眠的默认证据：如果不直接测量鸟的大脑状态，以前有关鸟在飞行中睡眠的说法只能是一种猜测。

红颈滨鹬(Calidris ruficollis)

摄影: 亦诺

飞行记录器捕捉到鸟类在飞行过程中打盹

为了确定鸟类是否以及如何在飞行中睡眠，研究人员需要记录大脑活动和行为的变化，以区分在鸟类中发现的两种睡眠：慢波睡眠（SWS）和快速眼动睡眠（REM）。Niels Rattenborg与Alexei Vysssotski（苏黎世大学和瑞士联邦理工学院，ETH）合作开发了一种小型装置，用于测量飞鸟大脑活动和头部运动的脑电图变化。

在与加拉巴戈斯国家公园和厄瓜多尔海鸟生物学家Sebastian Cruz的合作下，该团队专注于在加拉巴戈斯群岛筑巢的大型军舰鸟。军舰鸟是一种大型海鸟，它们会在海面上不间断地飞行数周，寻找被捕食性鱼类和鲸类驱赶到水面的飞鱼和鱿鱼。研究人员暂时将小型“飞行数据记录器”安装到筑巢的雌性军舰鸟的头部。然后，这些鸟携带记录器在长达10天里进行了3000公里的不间断觅食飞行。在这段时间里，记录器记录了大脑半球的脑电图活动和头部的运动，而鸟背上的GPS装置则跟踪它们的位置和高度。当这些鸟再次回到陆地上休整时，它们被重新捕获，设备被取走。Bryson Voirin博士和Rattenborg观察到，“像加帕戈斯群岛的许多其他动物一样，军舰鸟非常平静，甚至会在我第二次接近捕捉它们的时候旁若无人地睡觉。”

白斑军舰鸟(Fregata ariel)

摄影: 潘文星

 

飞行数据记录器显示，军舰鸟在飞行中的睡眠模式部分符合预期, 但也有部分出乎意料。白天，鸟儿保持清醒，积极寻找觅食的机会。当太阳落山时，清醒的脑电图模式转变为SWS模式，持续时间长达几分钟，而鸟儿仍在飞翔。令人惊讶的是，SWS可能一次发生在一个半球，也可能同时发生在两个半球。这种双半球睡眠的存在表明，单半球睡眠不需要保持空气动力学控制。然而，与在陆地上睡觉相比，SWS在飞行中更常是单半球的。通过仔细观察这些军舰鸟的活动，研究人员发现了它们为什么在飞行中单侧睡眠的线索。当鸟儿在上升的气流中盘旋时，与眼睛相连的半球朝着转弯的方向通常是醒着的，而另一侧则睡着了，这表明鸟儿正在观察它们要去的地方。Rattenborg说：“军舰鸟可能会留意其他鸟类，以防止碰撞，就像鸭子留意捕食者一样。”

除了在飞行中参与两种类型的慢波睡眠外，在极少数情况下，短时间的快速眼动睡眠会中断慢波睡眠。尽管这一发现对研究哺乳动物睡眠的科学家来说似乎是很明显的，但基于Rattenborg对鸟类的经验，他并不感到惊讶。与哺乳动物相比，哺乳动物的快速眼动睡眠时间较长，同时伴随着肌肉张力的完全丧失，而鸟类的快速眼动睡眠时间仅持续几秒钟。此外，虽然肌肉张力的降低会导致鸟类在REM睡眠期间头部下降，但在这种状态下，鸟类能够站立（甚至单腿站立）。同样，当军舰鸟进入快速眼动睡眠时，它们的头会暂时下降，但它们的飞行模式保持不变。

丽色军舰鸟(Fregata magnificens)

摄影: 秦风

生态需求要求鸟类24小时全天候保持关注

也许最大的惊喜是，尽管能够在飞行中进行各种类型的睡眠，军舰鸟平均每天只睡42分钟。相反，当他们回到陆地上时，他们每天睡12个多小时。此外，陆地上的睡眠时间也越来越长。总的来说，这表明军舰鸟实际上在飞行中睡眠不足。“为什么他们在飞行中睡得那么少，即使是在晚上很少觅食的时候，原因至今仍不清楚，”Rattenborg说。正如先前的研究所表明的那样，军舰鸟追循洋流以获取更多食物，这预示着它们白天和晚上的觅食条件都很好，也许这就是它们要做的。有趣的是，飞行中的低睡眠量表明，捕食任务比一次睡一半大脑所需的注意力更多。因此，军舰鸟在出海时需要24小时全天候关注, 以获得最大生态效益。

从长远来看，Rattenborg希望确定军舰鸟如何在如此小的睡眠中维持适应性表现。即使人们充分意识到危险并努力保持清醒，在失去几个小时的睡眠后驾驶汽车也会睡着。Rattenborg说：“为什么我们和许多其他动物都会严重失眠，而有些鸟类能够适应远远不够的睡眠，这仍然是个谜。”将对军舰鸟的研究发现与大量的证据相结合，强调睡眠在其他动物中的重要性，可能为我们理解睡眠以及研究失眠的后果提供新的视角。

  红嘴鸥(Larus ridibundus)

摄影: 刘建国

白腰杓鹬(Numenius arquata)

摄影: 刘建国

 苍鹭(Ardea cinerea)

摄影: 刘建国

鸿雁(Anser cygnoides)

摄影: 刘建国

苍鹭(Ardea cinerea)

摄影: 刘建国

本文选译自MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT网站。

 

原文作者及出处：

Niels C.Rattenborg, Bryson Voirin, Sebastian M. Cruz, Ryan Tisdale, Giacomo Dell’Omo,Hans-Peter Lipp, Martin Wikelski, Alexei L. Vyssotski

Evidencethat birds sleep in mid-flight.

Nature Communications 2016, 7:12468 (doi: 10.1038/ncomms12468; open access)

 

感谢亦诺、潘文星、秦风先生提供的资料照片。