这种鸟可以边飞边睡，却每天只睡 42 分钟
研究者第一次确认鸟类可以一边飞行一边睡觉。来自西维森鸟类学马克斯·普朗克研究所的 Niels Rattenborg 和国际小组的同事通过测量军舰鸟的脑部活动，发现它们在飞行时能够睡觉，有时候是一个大脑半球醒着，另一个在睡，有时整个大脑全“睡着”了。尽管飞行时它们能完成各种类型的睡眠，却每天只睡不到1小时，远少于它们在陆地上的睡眠时间。军舰鸟如何适应这么短暂的睡眠时间仍旧是个迷。
来源 Max Planck Society
撰文 Niels C Rattenborg
翻译 虞光辉
审校 谭坤
Credit: B. Voirin
雨燕、鸣禽、鹬和海鸟等在地球上翱翔时，可以连续飞行几天、几周，甚至几个月。考虑到睡眠缺失会对飞行产生的不利影响，人们推测鸟类很可能会在飞行中睡觉。
半睡半醒还是完全清醒？
睡着飞行的鸟是如何躲避障碍物，以及不从天空中掉下来呢？一个解决方案是每次只关闭一半大脑。正如 Rattenborg 曾经证明绿头鸭在陆地上的危险环境中睡觉时那样。当它们在鸭群的边缘睡觉，会让大脑一个半球保持清醒，同时睁着这个半球控制的那只眼睛，防止撞到别的鸭子，同时关注着潜在的危险。基于海豚可在游泳时半脑睡眠的发现，普遍的观点是，鸟类也可以在飞行中用依靠某种“自动驾驶系统”，实现飞行中的导航和空气动力学方面的调控。
然而，也有可能有些鸟进化出欺骗睡眠的办法。睡眠研究者与同事最近发现，雄性斑胸滨鹬在竞争雌性期间，可以连续几个星期只睡一点点。这让科学家又开始怀疑也许飞行的鸟类也有可能完全放弃了睡眠。因而，连续飞行的证据不能作为边飞边睡的证据。在没有直接监测鸟类的大脑活动状态前，这只是个假说。
飞行数据记录证实鸟在飞行中打盹
为了确定鸟是否真的边飞边睡，研究者们需要记录大脑活动和行为的变化，以区分清醒状态和两种睡眠方式：慢波睡眠(slow wave sleep，SWS)和快速眼动(rapid eye movement，REM)睡眠。 Niels Rattenborg 与苏黎世联邦理工学院的 Alexei Vyssotski 合作，利用后者开发的小型装置测量飞行中鸟类的大脑活动的脑电图及头部运动的变化。
与厄瓜多尔的海洋鸟类学家 Sebastian Cruz 以及加拉巴戈斯国家公园合作，小组重点关注在加拉巴戈斯岛筑巢的大军舰鸟。军舰鸟是大型的海鸟，几周不间断飞行，以搜寻被食肉鱼类和鲸类驱赶到水表的飞鱼和鱿鱼。研究者暂时性地将“飞行数据记录器“”戴到筑巢的雌性军舰鸟的头上，然后这些鸟戴着记录器不停地觅食飞行达十余天，3000千米。在此期间，记录器会记录两个半脑的脑电波及头部活动，同时鸟背部的 GPS 装置会记录它们的位置及高度。当这些鸟回到陆地并休息一段时间后，就被重新抓住并取下这些装置。文章的共同一作，博士后 Bryson Voirin 观察到，像加拉帕戈斯群岛的许多动物一样，军舰鸟在第二次被抓时，“它们极其平静，甚至在我走过去抓它们的时候还在睡觉。”
飞行数据记录器揭示了军舰鸟的睡眠模式，有些在意料之中，也有些部分出人意料。白天，鸟类保持清醒，积极寻找觅食的机会。太阳落山后, 在鸟类高飞时，脑电图时而由清醒模式切换为 SWS，并可持续几分钟。令人惊讶的是，SWS 不仅会只出现在一个半球，也可能同时在两个半球出现。这种双侧大脑睡眠表明，空气动力学的操控甚至连一侧脑清醒也不需要。尽管如此,与在陆地上睡眠相比, 飞行时候时候的半脑 SWS 比例更高。通过仔细检查军舰鸟的运动,研究人员发现了它们为什么进行半脑睡眠的线索。当鸟儿盘旋着，依靠上升气流时，面对气流转弯方向的那只眼睛连接的半脑通常保持清醒。而另一半脑睡眠，这表明鸟类正在注视着自己行动的方向。“军舰可能也像野鸭那样，防止与其他鸟类碰撞或留意捕食者”, Rattenborg 说道。
除了两种模式的 SWS ，中间也间杂有短暂的 REM 睡眠。虽然这一发现让研究睡眠的科学家感到震惊，对鸟类经验丰富的 Ratteborg 却并不那么意外。和哺乳动物不同，由于鸟类的长时间的 REM 会伴随着肌肉张力的完全消失，鸟类的 REM 睡眠只持续几秒钟。另外，虽然 REM 睡眠中导致的肌肉张力消失会导致头部下垂，鸟类却可以在这种情况下，双腿，甚至只用一条腿站立。类似地，当军舰鸟进入 REM 睡眠，虽然头部低垂，仍可保持飞行姿势。
求偶炫耀中的斑胸滨鹬，求偶期间它们可以几乎不睡觉
军舰鸟需要时刻保持注意力
或许最让人惊奇的是虽然军舰鸟可以在空中完成各种睡眠，它们平均每天却只睡 42 分钟。相反地，当回到陆地上，它们几乎每天要睡12个小时以上，并且睡的要沉得多。总体来可以说军舰鸟在飞行时被剥夺了睡眠。“为什么虽然夜间它们基本上不觅食，还是睡这么少依然是个迷。” Ratteborg 说。之前有研究表明无论在白天还是夜间，军舰鸟都在追随着预示着有大量食物的海洋漩涡，这可能是它们不睡觉的原因。有意思的是，这么短的睡眠意味着，这种任务需要两个大脑半球合作才能完成。也就是说，军舰鸟需要时时刻刻保持注意力，才能满足自己的生态需求。
Rattenborg 的长远目标是希望能知道军舰鸟为何能适应如此短暂的睡眠时间。人只要少睡了几个小时，即使明知十分危险、挣扎着想要保持清醒，还是会在开车时陷入睡眠。“为什么我们以及其他哺乳动物，睡眠不足就会痛苦不已，而鸟类却可以适应相对短得多的睡眠” Rattenborg 解释道。在其他许多动物上的实验证实了充足的睡眠对健康的重要作用，而理解军舰鸟为何不会如此，可能会让人们对睡眠的研究进入全新的阶段。
原文链接：
论文信息
题目 Evidence that birds sleep inmid-fli
作者 Niels C Rattenborg
期刊 Nature Communications
日期 03 August 2016
doi:10.1038/ncomms12468
摘要 Many birds fly non-stop for days or longer, but do they sleepin flight and if so, how? It is commonly assumed that flying birds maintainenvironmental awareness and aerodynamic control by sleeping with only one eyeclosed and one cerebral hemisphere at a time. However, sleep has never beendemonstrated in flying birds. Here, using electroencephalogram recordings ofgreat frigatebirds (Fregata minor) flying over the ocean for up to 10 days, weshow that they can sleep with either one hemisphere at a time or bothhemispheres simultaneously. Also unexpectedly, frigatebirds sleep for only0.69 h d−1 (7.4% of the time spent sleeping on land), indicating thatecological demands for attention usually exceed the attention afforded by sleepingunihemispherically. In addition to establishing that birds can sleep in flight,our results challenge the view that they sustain prolonged flights by obtainingnormal amounts of sleep on the wing.
链接 http://www.nature.com/ncomms/2016/160803/ncomms12468/full/ncomms12468.htm
§
阅读更多
▽ 故事
▽ 论文推荐
· 蜜蜂来不来，花儿说了算 | Biology Letter 论文推荐
推荐论文请联系
keyanquan@huanqiukexue.com。
这里是“科学美国人”中文版《环球科学》服务科研人的微信号“科研圈”。我们：
· 关注科学进展与科研生态
· 推荐重要前沿研究
· 发布科研招聘
· 推送学术讲座与会议预告。
欢迎长按二维码关注。