鳥類在飛行中的睡眠問題

動物 02-20

眾所周知，一些雨燕、鳴禽、鴴鷸類和海鳥在穿越地球的遷徙過程中會連續飛行幾天、幾周甚至幾個月。考慮到睡眠喪失對飛行的不利影響，通常認為這些鳥類必須通過在飛行過程中睡眠,來滿足它們每天休息的需要。

遷徙中的鴻雁群(Anser cygnoides)

攝影: 亦諾

遷徙中的蠣鷸群(Haematopus ostralegus)

攝影: 劉建國

遷徙中的白腰杓鷸群(Numenius arquata)

攝影: 劉建國

在飛行中半睡半醒還是持續保持清醒?

一隻鳥怎麼能在飛行中睡覺而不撞上障礙物或從天上掉下來呢？解決方法或許是一次只關閉大腦的一半，正如綠頭鴨在陸地上危險的環境中睡覺時所表現的那樣。綠頭鴨在群體邊緣睡覺時，它會保持大腦一個半球的清醒，相應的眼睛睜大，並遠離其他鳥類，朝向潛在的威脅。根據這些發現和海豚可以在單側睡眠的情況下游泳這一事實，通常認為鳥類也依靠這種類似自動駕駛的方法在飛行中導航並保持空氣動力學控制。

然而，鳥類也有可能進化出另一種欺騙睡眠的方法。睡眠研究人員最近發現，雄性紅頸濱鷸為了爭奪雌性，可以適應連續飛行,其間睡眠很少，這增加了鳥類在飛行中完全放棄睡眠的可能性。因此，連續飛行的證據並不是飛行中睡眠的默認證據：如果不直接測量鳥的大腦狀態，以前有關鳥在飛行中睡眠的說法只能是一種猜測。

紅頸濱鷸(Calidris ruficollis)

攝影: 亦諾

飛行記錄器捕捉到鳥類在飛行過程中打盹

為了確定鳥類是否以及如何在飛行中睡眠，研究人員需要記錄大腦活動和行為的變化，以區分在鳥類中發現的兩種睡眠：慢波睡眠（SWS）和快速眼動睡眠（REM）。Niels Rattenborg與Alexei Vysssotski（蘇黎世大學和瑞士聯邦理工學院，ETH）合作開發了一種小型裝置，用於測量飛鳥大腦活動和頭部運動的腦電圖變化。

在與加拉巴戈斯國家公園和厄瓜多海鳥生物學家Sebastian Cruz的合作下，該團隊專註於在加拉巴戈斯群島築巢的大型軍艦鳥。軍艦鳥是一種大型海鳥，它們會在海面上不間斷地飛行數周，尋找被捕食性魚類和鯨類驅趕到水面的飛魚和魷魚。研究人員暫時將小型「飛行數據記錄器」安裝到築巢的雌性軍艦鳥的頭部。然後，這些鳥攜帶記錄器在長達10天里進行了3000公里的不間斷覓食飛行。在這段時間裡，記錄器記錄了大腦半球的腦電圖活動和頭部的運動，而鳥背上的GPS裝置則跟蹤它們的位置和高度。當這些鳥再次回到陸地上休整時，它們被重新捕獲，設備被取走。Bryson Voirin博士和Rattenborg觀察到，「像加帕戈斯群島的許多其他動物一樣，軍艦鳥非常平靜，甚至會在我第二次接近捕捉它們的時候旁若無人地睡覺。」

白斑軍艦鳥(Fregata ariel)

攝影: 潘文星

飛行數據記錄器顯示，軍艦鳥在飛行中的睡眠模式部分符合預期,但也有部分出乎意料。白天，鳥兒保持清醒，積極尋找覓食的機會。當太陽落山時，清醒的腦電圖模式轉變為SWS模式，持續時間長達幾分鐘，而鳥兒仍在飛翔。令人驚訝的是，SWS可能一次發生在一個半球，也可能同時發生在兩個半球。這種雙半球睡眠的存在表明，單半球睡眠不需要保持空氣動力學控制。然而，與在陸地上睡覺相比，SWS在飛行中更常是單半球的。通過仔細觀察這些軍艦鳥的活動，研究人員發現了它們為什麼在飛行中單側睡眠的線索。當鳥兒在上升的氣流中盤旋時，與眼睛相連的半球朝著轉彎的方向通常是醒著的，而另一側則睡著了，這表明鳥兒正在觀察它們要去的地方。Rattenborg說：「軍艦鳥可能會留意其他鳥類，以防止碰撞，就像鴨子留意捕食者一樣。」

除了在飛行中參與兩種類型的慢波睡眠外，在極少數情況下，短時間的快速眼動睡眠會中斷慢波睡眠。儘管這一發現對研究哺乳動物睡眠的科學家來說似乎是很明顯的，但基於Rattenborg對鳥類的經驗，他並不感到驚訝。與哺乳動物相比，哺乳動物的快速眼動睡眠時間較長，同時伴隨著肌肉張力的完全喪失，而鳥類的快速眼動睡眠時間僅持續幾秒鐘。此外，雖然肌肉張力的降低會導致鳥類在REM睡眠期間頭部下降，但在這種狀態下，鳥類能夠站立（甚至單腿站立）。同樣，當軍艦鳥進入快速眼動睡眠時，它們的頭會暫時下降，但它們的飛行模式保持不變。

麗色軍艦鳥(

Fregata magnificens)

攝影: 秦風

生態需求要求鳥類24小時全天候保持關注

也許最大的驚喜是，儘管能夠在飛行中進行各種類型的睡眠，軍艦鳥平均每天只睡42分鐘。相反，當他們回到陸地上時，他們每天睡12個多小時。此外，陸地上的睡眠時間也越來越長。總的來說，這表明軍艦鳥實際上在飛行中睡眠不足。「為什麼他們在飛行中睡得那麼少，即使是在晚上很少覓食的時候，原因至今仍不清楚，」Rattenborg說。正如先前的研究所表明的那樣，軍艦鳥追循洋流以獲取更多食物，這預示著它們白天和晚上的覓食條件都很好，也許這就是它們要做的。有趣的是，飛行中的低睡眠量表明，捕食任務比一次睡一半大腦所需的注意力更多。因此，軍艦鳥在出海時需要24小時全天候關注,以獲得最大生態效益。

從長遠來看，Rattenborg希望確定軍艦鳥如何在如此小的睡眠中維持適應性表現。即使人們充分意識到危險並努力保持清醒，在失去幾個小時的睡眠後駕駛汽車也會睡著。Rattenborg說：「為什麼我們和許多其他動物都會嚴重失眠，而有些鳥類能夠適應遠遠不夠的睡眠，這仍然是個謎。」將對軍艦鳥的研究發現與大量的證據相結合，強調睡眠在其他動物中的重要性，可能為我們理解睡眠以及研究失眠的後果提供新的視角。