鸟类飞行原理：体重减少量法风洞试验成果

隆德大学曾建立了一个大型风洞用于开展可控飞行条件下的长距迁徙飞行能量消耗研究。风洞的设计和建造由两位卓越的鸟类飞行专家Tomas Alerstam和Colin Pennycuick监督。Tomas Alerstam的主要研究领域为鸟类迁徙，Colin Pennycuick的研究兴趣为鸟类飞行的物理和生物特性。Klaassen等（2000）曾计算过一种叫“布鲁”的画眉夜莺的8次飞行试验的能量消耗情况。其中，7次飞行试验鸟儿持续不断飞行12 h，1次试验鸟儿持续不断飞行16 h。飞行速度恒定为10 m·s-1，用新陈代谢能量消耗来衡量飞行能量消耗。布鲁的食物为黄粉虫，黄粉虫含44%的脂肪和56%的蛋白质。12 h的飞行试验中，布鲁从测试前的初始体重27.82 g平均减轻了3.82 g。每次12 h试验后，布鲁需要3天时间完全复原，将体重恢复到初始体重。这3天的能量摄取减去能量消耗可视为等于试验期间的飞行能量消耗。试验结果得出每克飞行能量消耗的新陈代谢当量为21.6 kJ。26 g的鸟儿在12 h试验飞行中产生的平均飞行能量消耗为1.91 W。

布鲁也参与了隆德大学的另一项试验研究：Kvist等（1998）测试了不同飞行速度下的体重减少量速率。布鲁是两只平均体重为25 g的画眉夜莺中的一只。一只体重为237 g的普通水鸭也参与了本次试验。飞行期间，水鸭的泄殖腔用疏水绵覆盖并粘上胶带以避免排泄造成体重减少。画眉夜莺在飞行期间的排泄物被排除在结果之外。计算体重减少量转换为能量时用了两种复杂的方法（方框8.1介绍了转换方法的基本内容）。画眉夜莺试验中假设它们体温中等，没有水分蒸发。假设鸟身体内的水分含量保持恒定。试验计算出画眉在7.9 m·s-1速度飞行时，飞行能量消耗最小为1.7 W。水鸭的假设条件不同，水鸭热负荷为自身10倍大，因此必须靠水分蒸发来维持体温恒定。运用相应模型计算不同飞行速度10～15 m·s-1下的体重减少量，得出在速度为11.5 m·s-1时，能量消耗最小，飞行能量消耗为13.2 W。

方框8.1　飞行燃料(www.xing528.com)

续

更早期的论文作者Klaassen也曾参与到我们试验室“风洞”无风条件下的红隼食物平衡试验。第6章已经介绍了如何利用我们学院的142 m长走廊，让受训的红隼在驯鹰师的两只手套间上下飞行。走廊是无风的，红隼以自己的速度飞行，全程电子化记录（见第6章）。Masman和Klaassen（1987）研究了3只红隼（1只雄性、2只雌性）每日受训飞行20 km期间的食物平衡。他们记录了红隼每日的能量摄取，通过排泄得出能量消耗以及体重变化。当红隼不飞行时，就把它们放在呼吸计里。包含起飞和降落速度，红隼平均飞行速度为8.7 m·s-1（Videler，et al.，1988）。这3只红隼的平均体重为180 g（±14 g）。飞行期间能量消耗为13.8 W（±3.1 W）。这个数据可直接与红隼的飞行能量消耗野外试验数据对比，野外试验中利用氧元素和氢元素的稳定转换原理测量氧气消耗和二氧化碳产生量（见8.5.1节）。