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睜一隻眼閉一隻眼,軍艦鳥睡著了但還在飛!

活躍星系核_96
・2016/09/20 ・2550字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

文/洪志銘|中央研究院生物多樣性研究中心助研究員

你可曾想過,當你在長途客機上安穩地睡覺時,外頭的飛鳥在牠們飛行途中可能也睡著了!?

科學家發現有些鳥類能長時間不間斷地飛行,飛行時間可長達數天或更久,例如,高山雨燕(Alpine swift, Tachymarptis melba)曾被記錄到可連續飛行 200天[1]。大多數動物每天都需要睡眠,使得科學家懷疑鳥能夠而且需要邊飛邊睡[2]。

另外,有研究發現鴨子在地面上睡眠時,能維持半邊腦清醒,以保持對掠食者的警戒[3]。這更增加了鳥能邊飛邊睡這說法的可能性。但這樣的懷疑,一直以來都缺乏研究證據。直到今年(2016年),ㄧ個由德國 Max Planck Institute for Ornithology 所主導的國際研究團隊,證實軍艦鳥(英文俗名:Great frigatebird,學名:Fregata minor,此種鳥的中文命名爭議請見文末)可以在飛行中睡覺[4]。

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軍艦鳥成年雄鳥的喉囊為紅色且會明顯膨脹,是非常顯眼的特徵。圖/By Charlesjsharp – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

軍艦鳥:不碰水但抓魚的海鳥

軍艦鳥(共一科一屬五種)是生活於熱帶海洋的海鳥,牠們不像多數海鳥擁有發達的腳蹼,其羽毛也不能防水,所以牠們不會潛入水中捕食,而是在飛行中掠捕跳出海面的魚或烏賊。

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軍艦鳥通常在海面上捕捉跳出水面的獵物。圖/Public Domain

牠們能進行長達數週、甚至數個月不落地的連續飛行。另一個近期的研究,發現軍艦鳥會順著上昇氣流不費力地迴旋爬升到高空,再以直線滑翔方式逐漸下降,在其飛行過程中,一直重複這樣的循環[5]。如此省力的飛翔方式,讓小軍艦鳥能長時間地連續飛行。

半腦睡可以飛,全腦睡也行

在這個飛行睡眠研究中,研究者將腦波記錄器(electroencephalogram, EEG)設置於軍艦鳥前額,記錄牠們飛行時的左、右半腦的腦波變化,用以判斷該鳥何時進入睡眠狀態。同時也在軍艦鳥背上放置 GPS 記錄器,記錄該鳥的飛行位置與高度,並計算其飛行角度。

藉由長達 10 天的飛行腦波與 GPS 記錄,研究者發現軍艦鳥於飛行中能進行半腦或全腦睡眠。進行半腦睡眠時,另一半邊腦能持續工作,軍艦鳥會以該半腦所管理的那隻眼睛保持警戒。當進行半腦睡眠的軍艦鳥向右轉彎時,右眼會維持張開,向左轉彎時,左眼會維持張開。這樣能讓邊飛邊睡的軍艦鳥避免撞上其他鳥或物體。研究者也發現軍艦鳥能在飛行時進行全腦睡眠,這是更驚人的行為,但是頻度很低。

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飛行中的小軍艦鳥雌鳥。圖/By Aviceda at English Wikipedia, CC BY 3.0, wikimedia commons.

每天只睡 40 分鐘!

事實上,軍艦鳥在飛行時,平均每天睡眠時間僅約 40 分鐘,相較於在地面時的睡眠時間短上許多。飛行睡眠時間只有地面睡眠時間的 7.4%。被記錄到最長的單次飛行睡眠時間是 5 分鐘 48 秒,且許多飛行睡眠僅維持數秒。軍艦鳥的飛行睡眠強度也低於地面睡眠強度。

另外,研究者發現當軍艦鳥回到地面上休息較久後,牠們的地面睡眠強度就降低了。這有可能表示牠們會以回到地面的睡眠,補充在空中飛行時不足的睡眠。這或許就像人們在連續熬夜工作(或打電動)後,會需要找時間補眠一樣。但是更明確的結論,有待分析更詳細的飛翔前後地面睡眠頻度與強度資料。

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圖/By Charlesjsharp – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

軍艦鳥在空中的睡眠幾乎只發生在夜間,也是較不會覓食的時間;但是在地面時,牠們白天晚上都會睡。另外牠們大多在身處於上昇氣流時,才短暫睡覺,且睡眠強度低。種種跡象顯示軍艦鳥也不是愛睡就睡,空中飛行時所需的警戒性與覓食需求,限制了牠們的空中睡眠模式。另一方面,在這種種限制下牠們還是要小睡一下,更凸顯睡眠對牠們的必要性。

不只軍艦鳥「疲勞駕駛」

過去的研究也發現到其他動物能邊行動邊睡。例如,海豚能邊游泳邊進行半腦睡眠[6]。有些鯊魚一生不能停止游泳,很有可能也是邊游邊睡,但仍缺乏研究證據。此外,海豹、果蝠與鬣蜥也有半腦睡眠並維持一眼警戒的行為[7,8,9]。

為何動物需要睡眠是一個耐人尋味的問題。睡眠時動物缺乏警覺性,容易遭受攻擊。即便如此,大多數動物每天仍會花相當的時間睡覺。 有證據顯示睡眠缺乏或不足會影響腦功能正常運作[10]。但軍艦鳥並沒有因為連續飛行天數增加,而增加飛行睡眠的強度或頻度。雖然回地面補眠是一個可能的平衡機制,但是軍艦鳥如何能以少量的睡眠,維持長達數週的連續飛行,仍值得更進一步的研究。

其實人類在一些狀況下,也會出現類似的淺眠現象。例如,在陌生的地方過夜,而需要保持警戒時,我們往往睡得不太好。所以,類似的動物行為研究也能為人類的睡眠失常行為,提供有用的參考資料。

補充:軍艦鳥的命名爭議

依據《台灣鳥類誌》,此鳥最初於 1789 年由德國博物學家 Johann Friedrich Gmelin 命名,牠的學名 Pelecanus minor 意指「較小型的鵜鶘」,但後來新的鳥類分類將牠列在新的軍艦鳥屬中,也就改成了現在的學名 Fregata minor。從學名來看 minor 常讓人誤解牠是種「較小的軍艦鳥」,但牠的體型在軍艦鳥屬中其實是較大的,因而得到了 Great frigatebird 的俗名。在這命名過程中的小插曲,導致這種軍艦鳥的中文譯名,同時有「大軍艦鳥」和「小軍艦鳥」兩個截然不同的名字。

為了避免這樣的混淆在《台灣鳥類誌》中以「黑腹軍艦鳥」指稱此種鳥,但這種鳥卻又不是全部都有黑色的腹部,像是雌鳥和未成熟的雄鳥腹部其實是白色的。因此在此筆者用「軍艦鳥」來作為 Fregata minor 的中文譯名。

參考資料

  1. Liechti, F., Witvliet, W., Weber, R., & Bächler, E. (2013). First evidence of a 200-day non-stop flight in a bird. Nature Communications4.
  2. Rattenborg, N. C. (2006). Do birds sleep in flight?. Naturwissenschaften, 93(9), 413-425.
  3. Rattenborg, N. C., Lima, S. L., & Amlaner, C. J. (1999). Half-awake to the risk of predation. Nature397(6718), 397-398.
  4. Rattenborg, N. C., Voirin, B., Cruz, S. M. et al. (2016). Evidence that birds sleep in mid-flight. Nature Communications7.
  5. Weimerskirch, H., Bishop, C., Jeanniard-du-Dot, T., Prudor, A., & Sachs, G. (2016). Frigate birds track atmospheric conditions over months-long transoceanic flights. Science353(6294), 74-78.
  6. Lyamin, O. I., Manger, P. R., Ridgway, S. H., Mukhametov, L. M., & Siegel, J. M. (2008). Cetacean sleep: an unusual form of mammalian sleep.Neuroscience & Biobehavioral Reviews32(8), 1451-1484.
  7. Lyamin, O. I., Mukhametov, L. M., & Siegel, J. M. (2004). Relationship between sleep and eye state in Cetaceans and Pinnipeds. Archives italiennes de biologie142(4), 557-568.
  8. Downs, C. T., Awuah, A., Jordaan, M. et al. (2015). Too Hot to Sleep? Sleep Behaviour and Surface Body Temperature of Wahlberg’s Epauletted Fruit Bat. PloS one10(3), e0119419.
  9. Rattenborg, N. C., Amlaner, C. J., & Lima, S. L. (2000). Behavioral, neurophysiological and evolutionary perspectives on unihemispheric sleep.Neuroscience & Biobehavioral Reviews24(8), 817-842.
  10. Thomas, M., Sing, H., Belenky, G. et al. (2000). Neural basis of alertness and cognitive performance impairments during sleepiness. I. Effects of 24 h of sleep deprivation on waking human regional brain activity. Journal of sleep research9(4), 335-352.

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。