生物学家尝试测量野生动物存活所需能量

我们才刚刚开始。但是对于野生动物科学来说，这确实是一个激动人心的时刻。

夏威夷僧海豹KE18照片来源:特瑞·威廉姆斯

在攻击了超过12只年轻的夏威夷僧海豹后，这只极具攻击性的雄性海豹，被称为KE18，必须被驱逐出它在岛上的家。现在，它生活在美国加州的一个海水池塘里，距离太平洋数百码。

与攻击更多同类(地球上最濒危的海洋哺乳动物)不同，KE18目前提供的信息可以帮助这只海豹避免灭绝。六月的一天，加州大学圣克鲁斯分校的一名动物训练员正在教它装上一个装有传感器的金属管，以跟踪和记录它的速度变化。这是健康追踪器的密封版本。一些慢跑者在手腕上佩戴这种仪器来记录每一个动作。

将200公斤的KE18吊到池塘边。它张开嘴炫耀它的牙齿，并得到一条鱼作为奖励。"我们实验室需要很多鱼和热狗."哺乳动物生理学实验室主任特瑞·威廉姆斯说。

人们希望从KE18收集的数据能够帮助解决夏威夷僧海豹面临威胁的秘密。这些海豹大多生活在夏威夷群岛的西北部。每五只幼崽中就有四只在成年前死亡，而且这一物种的数量每年都在下降3%以上。"他们最终饿死了。"国家海洋和大气管理局夏威夷僧海豹研究项目主任Charles Littnan说。

然而，夏威夷主岛海滩附近的一小群海豹数量正在增加，尽管附近有密集的人类活动。KE18可能是解开两组海豹有完全不同的生活轨迹之谜的关键。很快，研究人员开始测量他们呼吸中的氧气含量。通过结合这些数据和传感器信息，威廉姆斯和他的同事定量测量了KE18游泳所需的能量。他们计划利用这些数据从野生僧海豹身上的传感器中读取信息，以确定它们为何不兴旺。

澳大利亚昆士兰大学的生态生理学家克雷格·富兰克林说，由此产生的数据流将改变野生生物学家的问题类型。"人们真的开始意识到生理学在处理动物保护问题上的价值."

能量消耗

生物学家有时说能量是生命的货币。"如果动物想收集类似金钱的东西，那就是能量."英国斯旺西大学的水生生物学家罗里·威尔逊说。活动尤其昂贵，即使是睡觉的时候。身体需要燃烧卡路里来维持消化、呼吸和循环。

但是金钱和能源之间有一个关键的区别:动物不能出现赤字。"如果你体内没有能量，你就会死亡。"威尔逊说。

生物学家没有简单的方法来追踪野生动物需要多少能量，所以他们使用氧气消耗作为替代。动物消耗的燃料越多，氧气需求量就越大。例如，通过将动物放在跑步机上，研究人员可以粗略地将耗氧量与前进一米所需的能量联系起来。

虽然“运输成本”在很长一段时间内可以作为动物能量学的自然规模。然而，它依赖于许多模糊的假设。例如，动物在类似跑步机的环境中行走，实际上需要更多的能量才能在不平的地面上奔跑。对于穿越沙漠、游泳或飞行的动物来说，这项技术就更不适用了。

因此，传感器进入这一领域。最初，当科学家为传感器安装数据记录器和电池来测量动物行为时，这种设备并没有被广泛使用。随着成本下降，该公司开始提供带有存储芯片的现成传感器。野生生物学家立即看到了机会。自2009年以来，已经有超过130篇论文使用该设备来研究动物行为。“这真的是兴趣和技术的爆发。现在我们可以得到大量的数据。我们可以知道动物的每一次冲刺或爪触。”威廉姆斯说。

罗汉普顿大学的环境生理学家威尔逊和刘易斯·哈尔西证实，这种设备是一种测量能量消耗的工具:当传感器记录更多的动作时，氧气消耗相应增加。这些运动信息在实验室之外也很有用。例如，附在野生鸬鹚身上的设备显示，将鱼带到高空所需的加速度比未装载时高14%。

科学家目前依靠动态身体加速度进行研究。自从威尔逊和哈尔西的鸬鹚实验以来，已经发表了大量的论文，使用DBA和耗氧量来研究野生动物的能量需求。“每个人都说，‘上帝，它适用于一切！’”威尔逊说。

为了检测气候变化对鱼类的影响，英国渔业和水产养殖科学与环境中心的行为生态学家朱利安·梅特卡夫(Julian Metcalfe)将传感器植入鳕鱼体内，研究鱼类新陈代谢对不同温度的反应。"如果水变冷了，它们会移动得更少，但在必要的时候它们仍然可以追逐和逃跑。"他说。

但是当温度升高时，鳕鱼很难表现出高能行为。"在高温下，鱼很难逃脱捕食者或捕捉猎物。"梅特卡夫说，“理解这一点很重要。”

电子商务中心的生物学家瑟琳娜·赖特在植入传感器的帮助下研究了鳟鱼养殖。她发现，一些鱼的鳍发育不良或骨骼畸形可能是由于拥挤或近亲繁殖，畸形鱼比正常鱼需要更多的能量来游泳，生长缓慢。

纠正障碍

法国西布列塔尼大学的生物学家安东尼·罗布森和哈尔茜甚至在某些动物身上安装了运动传感器，比如扇贝。平均来说，甲壳类动物一天只移动两分钟，但这占它们在野外能量消耗的17%。相比之下，由于人类活动产生的光和振动，养殖扇贝比它们的野生兄弟花更多的时间逃跑和躲避。这使其能源消耗增加了约40%。

"当孵化场受到干扰时，它们会发疯."罗布森说。扇贝养殖使用大量的能量来进行活动，而不是觅食和生长，这些信息对养殖业非常重要。

能量数据也有助于解释野生动物的一些行为。研究人员知道，比起乌贼，麦哲伦企鹅更喜欢凤尾鱼。他们只在鱼难以捕捉时才吃乌贼。然而，直到威尔逊为企鹅安装了传感器，原因才明朗。他发现企鹅天生的浮力使得它向下游比逆流游消耗更多的能量。企鹅用较少的能量捕鱼，因为它们可以利用浮力从下面冲向猎物。"企鹅必须积极游泳来捕捉鱿鱼。"威尔逊说，“捕捞鱿鱼的能源成本比凤尾鱼高得多。没有传感器，我们可能永远也不会明白。”

在传感器数据的帮助下，研究人员甚至可以知道野生企鹅吃了多少次，以此来估计它们的总消耗量——如果这个国家希望限制捕鱼量以保护重要的企鹅物种，这个数据将非常重要。

在威廉姆斯的实验室里，研究人员将要分析更大的动物。安东尼·帕加诺(Anthony Pagano)是一名野生生物学家，也是地质调查局的博士生，他正试图找出如何通过呼吸运动测量来测量北极熊的能量消耗。

帕格诺说，位置数据显示，随着海冰的消失，北极熊的游动距离是10-20年前的2-3倍。例如，在2008年，研究人员记录了一只北极熊在到达一块海冰之前游了9天687公里。但是当时，研究人员不知道这只熊在这个过程中消耗了多少能量。因此，帕格诺给这只动物安装了一个装有加速度、全球定位和视频数据的项圈。

与此同时，他在动物园里用重达370公斤的雌性北极熊建立了一个北极熊大小的“连续游泳池”或者用呼吸运动测量的跑步机。"一个挑战是它们相当大并且具有破坏性."他说。

帕加诺的工作揭示了这一领域发展的一个重要障碍:为了获得精确的能量消耗测量，生物学家需要找到为单个物种校正设备的方法。"纠正一只新动物是非常困难的."哈尔茜说。

野生动物需要被训练和诱导参与呼吸运动测量。通常动物不想呆在跑步机上。在阅读过程中，阿斯特丽德·威勒纳发现他需要和齐腰高的帝企鹅摔跤，才能把它们放在跑步机上。一些企鹅会试图用它们的腹部或背部靠着它们的鞋底滑动。"一旦企鹅找到一个窍门，它们会继续使用它."威尔纳说。

无论如何，野生动物加速度测量技术要找到如何收集能量数据以及如何使用它们的逻辑方法可能并不容易。然而，像KE18这样的动物为物种保护提供了潜在的重要信息。“我们才刚刚开始。但对于野生动物科学来说，这确实是一个激动人心的时刻。”威廉姆斯说。(唐峰)

《中国科学日报》(第三版国际版，2014年9月15日)

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