Определение температуры яиц, насиживаемых антарктическими птицами (К. Эклунд)

Во время Международного геофизического года я руководил научно-исследовательской станцией Уилкса в Антарктиде (1956-1958 гг.). Это предоставило мне прекрасную возможность проводить биологические исследования в течение длительного периода времени. Наша цель состояла в непрерывном определении температуры яиц, насиживаемых птицами, которые гнездятся при крайне суровых условиях окружающей среды. В Антарктиде никогда раньше не проводились подобные работы, и они стали возможными лишь благодаря использованию телеметрии.

Наша основная задача состояла в изучении императорского пингвина (Aptenodytes forsteri), гнездящегося зимой при таких суровых климатических условиях, при которых не гнездится ни одна другая птица. Пингвин насиживает свое единственное яйцо при температурах до -60°. Любое измерение температуры должно быть дистанционным, так как пингвины не сооружают гнездо, а просто ходят со своим яйцом, чтобы его не занесло снегом.

Еще до моего отъезда (ноябрь 1956 г.) американская лаборатория электроники в Филадельфии по контракту с Военно-морским научно-исследовательским управлением разработала радиотермометр, который позволил бы нам провести намеченные исследования. К сожалению, на островах Виндмил, где находилась станция Уилкса (66°15′ ю. ш., 110°31′ в. д.), нет императорских пингвинов. Однако существовала возможность провести исследования на пингвинах Адели (Pygoscelis adeliae), гнездующих летом, и на живущем вблизи южного полюса большом поморнике (Catharacta maccormicki). Между прочим, большой поморник является самой южной птицей в мире.

Радиоприемные устройства были размещены в контейнере размером 2,4×3 м, смонтированном на санях. Аппаратура находилась на расстоянии 54 м от гнезда большого поморника и 39 м от гнезда пингвина; в гнезда были подложены яйца, в которых находились передатчики. Окно в контейнере позволяло наблюдателю видеть оба гнезда. Во время всего периода изучения проводились круглосуточные наблюдения за гнездами.

Телеметрическая система для измерения температуры состояла из передатчика, который вводился в яйцо пингвина или большого поморника, приемника низкочастотных сигналов и счетчика импульсов звуковой частоты. Импульсы звуковой частоты, период которых менялся с изменением температуры варистора или тирита, модулировали сигнал несущей частоты (49 кгц) крошечного передатчика. Этот сигнал принимался антенной, расположенной над гнездом.

В приемнике происходила демодуляция непрерывно поступающего сигнала, и импульсы звуковой частоты поступали в счетчик. Подсчет производился каждые 15 мин. Полученное число импульсов было пропорционально изменению температуры яйца. Точность измерения составляла 1°. Температура каждого яйца с передатчиком тщательно измерялась стандартным термометром до начала и после окончания телеизмерений.

Передатчик

Вводимый в яйцо передатчик состоял из генератора на транзисторе, датчика температуры (элемента, чувствительного к изменению температуры) и небольшого цилиндра с тремя ртутными элементами (на 1,3 в каждый), расположенных в многовитковой плоской направленной антенне. Яйца помещали в гнезде так, что антенна находилась в горизонтальной плоскости. Антенна приемника имела 30 витков диаметром 61 см и была укреплена на двухметровых бамбуковых мачтах над гнездом. При настройке приемника на максимум поступающего сигнала приемная антенна могла поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей. Такую настройку приходилось производить в тех случаях, когда птица поворачивала яйцо в положение, соответствующее отсутствию сигнала от передатчика.

Передатчик был заключен в водонепроницаемую пластмассовую оболочку. Ртутные элементы помещались в небольшой цилиндр; выводные концы батареи были заранее пропитаны смазкой в вакууме. Затем эти же концы были еще раз смазаны, чтобы исключить возможность короткого замыкания при введении белка в яйцо. Срок службы батареи составлял почти 100 час.

Двойной сплетенный провод соединял контур антенны приемника с двухполюсным переключателем перекидного типа, укрепленным на крышке блока настройки антенны, расположенного в контейнере. Двухполюсный переключатель позволял оператору подключать одну из двух приемных антенн, так как измерение температуры яиц пингвина и большого поморника проводилось одновременно. На небольшом пульте внутри контейнера находился приемник RBA-7 для приема сигналов в диапазоне 15-600 кгц и электронный десятичный счетчик WE-110 для подсчета импульсов звуковой частоты, поступающих от приемника, а также динамик для прослушивания этих импульсов, блок настройки антенны и фильтр звуковой частоты.

Источником энергии для всей установки служил генератор с бензиновым двигателем (мощность 10 квт, напряжение 120 в, однофазное питание, частота 60 гц) фирмы "Хоберт". Он был стабилизирован подключением термонагревателя на 4 квт, обогревавшего контейнер.

Размеры передатчика составляли 25 × 37,5 × 50 мм. Его помещали в большом яйце поморника или пингвина после удаления содержимого яйца (для этого яйцо разрезали пополам при помощи моторчика с корундовым диском). После проверки на влагонепроницаемость передатчик помещали в скорлупу; ее скрепляли цементом и высушивали. Затем через отверстие в верхушке яйца диаметром 1,5 мм при помощи шприца в яйцо вводилось 30 см³ белка. После наполнения яйца отверстие замазывалось цементом, и яйцо было пригодно для проведения телеизмерений.

Описание опытов

Передатчики были введены в яйцо пингвина Адели и в яйцо поморника с целью провести сравнение полученных данных. В каждом гнезде одно из двух нормальных яиц было заменено яйцом с передатчиком. Затем устанавливалась и ориентировалась на максимум сигнала приемная антенна. Мы оставили нормальное яйцо в гнезде в качестве контроля: если бы из него обычным порядком вылупился птенец, то можно было бы заключить, что яйцо с передатчиком также находилось при температуре, нормальной для развития птенца. Кроме того, нужно было, чтобы птицы непрерывно чувствовали под собой обычную кладку из двух яиц. Во всех опытах из нормальных яиц вылупились птенцы.

Наблюдение проводилось в течение 9 дней. Однако из-за технических неисправностей часть полученных данных не принималась во внимание. Далее излагаются результаты только тех измерений, которые проводились при правильной работе аппаратуры. Температура яйца поморника регистрировалась в период от 14 час. 30 мин. 15 декабря до 23 час. 30 мин. 17 декабря. Измерение температуры яйца пингвина производили в течение более длительного периода. Во время наблюдений температура воздуха менялась от -3 до +5,5°, причем средняя температура составляла +1°.

Результаты исследований показывают, что средняя температура яйца поморника была +36° при максимуме 40° и минимуме 30,5°. Средняя температура тела поморника составляет 41° (максимум 42,5°, минимум 40°). Следовательно, средняя температура высиживаемого яйца на 5,5° меньше средней температуры тела.

Средняя температура яйца пингвина Адели составляла 33,5° (максимум 37°, минимум 31°). Средняя температура тела пингвина равна 40° (максимум 41,5°, минимум 38°). Таким образом, средняя температура насиживаемого яйца на 6,2° меньше средней температуры тела пингвина и на 2,2° меньше средней температуры яйца большого поморника.

Больший диапазон изменения температуры яиц поморника объясняется тем, что и самец и самка поморника насиживают яйца, сменяя по очереди друг друга. Для удобства наблюдений одна птица из пары была отмечена зеленой краской. За 132 час наблюдений самец и самка сменяли друг друга 13 раз, т. е. в среднем 2,36 раза каждые сутки. У пингвина Адели самка непрерывно насиживает яйцо не менее 2 недель после откладки; то же самое происходит, если первым на яйца садится самец. Несомненно, что этим объясняются большие колебания температуры яиц у поморника.

Расчет и исполнение системы телеизмерения температуры были весьма удачными. Однако при проведении исследований нам встретились некоторые технические затруднения.

График зависимости температуры от частоты импульсов был не однозначным для температур ниже 15°. Обычно при уменьшении температуры уменьшается также число импульсов. Но при достижении 15° эта зависимость нарушалась, и при дальнейшем понижении температуры число импульсов возрастало. При 5° работа обоих передатчиков полностью прекращалась. Предполагается, что эта нелинейная зависимость была обусловлена либо изменением характеристики транзистора, либо изменениями параметров элементов передатчиков. Однако это не повлияло на нашу работу, так как измеренные значения температуры яиц превышали 15°. Возможно, что современные передатчики, выполненные на новых элементах, не будут иметь этого недостатка.

Передатчик прекращал работу при коррозии провода, который не был полностью покрыт пластмассовой изоляцией. Коррозия была, вероятно, вызвана белком яйца. Замена резинового покрытия передатчика пластмассовым позволила бы уменьшить и вес и объем прибора.

Точность измерений температуры была ограничена точностью спиртового термометра, с помощью которого производилась калибровка телеметрической системы, и точностью счетчика. Поскольку работа счетчика зависит от стабильности частоты питания (60 гц), для подобных измерений необходим стабилизированный источник питания.

Подобные исследования нужно провести и для яиц императорского пингвина. Температура воздуха в период развития зародыша в яйце этого пингвина часто падает ниже -51°, в связи с чем результаты исследований представляли бы значительный физиологический интерес. Императорские пингвины не насиживают яйца, как большинство птиц. Их единственное яйцо обычно находится у верхней части ног и пингвин расхаживает вместе с ним (по-видимому, это связано с тем, что птицу, неподвижно сидящую на яйцах, может занести снегом). Это обстоятельство может внести в эксперимент дополнительные трудности.

В заключение я хочу сделать одно предостережение, касающееся использования телеметрии при изучении поведения животных: существует большое различие между работой на местности и работой в лаборатории. Я уверен, что все мы знаем об этом, но иногда просто забываем. При работе на местности, особенно в таких местах, где работали Фрэнк и Джон Крейхэд, или на изолированной антарктической станции, нельзя побежать в магазин и купить новые элементы. Поэтому многие неисправности приходится устранять наскоро.

Обсуждение доклада

Бах. Д-р Эклунд, я интересуюсь измерениями температуры самих птиц. Проводили ли вы эти измерения?

Эклунд. Да, я довольно часто измерял температуру тела пингвина Адели и большого поморника в 1939-1941 гг., когда я работал орнитологом в экспедиции адмирала Бэрда.

Бах. Ваши замеры относятся к периоду спаривания или к периоду насиживания яиц?

Эклунд. В своих ранних работах я не изучал птиц в период спаривания. При проведении телеизмерений я хотел измерить температуру тела птицы, но, к сожалению, это не было сделано, так как я боялся спугнуть птиц.

Карр. Случалось ли вам когда-либо заниматься телеизмерениями при изучении фантастической способности императорских пингвинов ориентироваться на дрейфующем льду? Насколько я знаю, один из пары пингвинов уходит иногда в поисках пищи на расстояние до 150 км.

Эклунд. Это очень интересная проблема. В литературе много написано о том, что они уходят в поисках пищи на 100-160 км. Никто не проверял этого, и я лично сомневаюсь в этом. Я думаю, что они ищут пищу в трещинах, гораздо ближе к "дому". Это можно было бы проверить при помощи радиопрослеживания императорских пингвинов, но при этом встретились бы трудности с батареями. Пингвины несут яйца зимой, когда мало солнца и невозможно использовать солнечные батареи.

Маккей. Мне кажется, что императорский пингвин - достаточно большая птица, чтобы можно было укрепить на нем усилитель, который и передавал бы сигналы от яйца во время передвижения пингвина. При креплении батарей на теле пингвина их температура была бы достаточно высокой. Имеются различные типы транзисторов, удовлетворительно работающих при низких температурах. Передатчик размером меньше коробки сигарет мог бы иметь диапазон работы несколько километров. Он принимал бы и усиливал сигналы датчика, находящегося в яйце. В заключение я хотел бы упомянуть о том, что существуют некоторые новые типы транзисторов, которые совершенно не зависят от изменений окружающей температуры и работают при очень низких температурах.

Эклунд. Это, вероятно, исключит также необходимость обматывать птицу проводом, играющим роль антенны?

Маккей. Да, и это сделало бы работу намного проще.

Ко. Я хотел бы заметить, что имеются туннельные диоды, работающие, как было установлено, в диапазоне от -270 до +270°. Эти туннельные диоды питаются от источника с напряжением 0,1 в. Такое напряжение можно получить от термопары при разности температур более 20°; но в Антарктике разность температур воздуха и тела птицы всегда превышает 20°, и этим можно воспользоваться.

Маккей. Это очень интересное предложение. Но следует учесть, что при этом какой-то участок тела животного несколько охладится, так как термопара соединит его с окружающей средой. Если подключить несколько туннельных диодов, потребляющих мощность, излучаемую телом птицы, то на теле птицы может возникнуть местное охлаждение, и это повлияет на ее поведение.

Ко. При частоте передатчика 100 мгц можно принимать сигнал на расстоянии 8 км, причем потребляемая мощность составит 2-3 мвт. На это может уйти, скажем, одна малая калория тепла птицы. Тело птицы весом в несколько килограммов потребляет, вероятно, гораздо больше калорий, т. е. тепло, требующееся для термопары, составит, возможно, одну тысячную или миллионную всего тепла тела птицы.

Шмитт. Если батареи так усложняют исследования, то лучше было бы вообще отказаться от них, а применить более совершенную технику.

Маккей. Вы говорите о пассивных передатчиках?

Шмитт. Пассивные повторители, которые я имею в виду, не нуждаются в батарее. Я думаю, что это очень удобно при небольших расстояниях, причем вы сразу же можете определить, от какого именно яйца вы получили сигнал.

Маккей. Можно, например, взять чувствительный к температуре конденсатор и настроить его в резонанс с индуктивностью.

Шмитт. Это было бы совсем хорошо. Я думал о способе, который мог бы обеспечить обратное излучение хотя бы 1/4 посланной мощности сигнала. При способе, о котором я говорил, вы просто ставите небольшой конденсатор и пытаетесь принять сигналы.

Эклунд. Речь идет об измерении температуры?

Шмитт. Нет, об измерении любой величины - температуры, ЭКГ и т. п.

Эклунд. Не кажется ли вам, что при изучении полета птиц на больших расстояниях будет трудно использовать пассивные повторители?

Шмитт. Конечно. Я предлагаю этот способ для расстояний сотен метров, а не сотен километров.