A “new” structure of thermoregulation: the bill

(Text in three languages, in order of appearance: English, Spanish and Catalan).

In 2009, one of the most prestigious journals in the world of science, the journal named Science, published a paper done by Tattersall and his colleges where they demonstrated the paper that the bill plays in thermoregulation. This role of the bill in thermoregulation, it has been previous treated in the 80s, but due to the increase of environmental temperature and the existing concern of how animals respond to global warming, this physiological aspect is gaining interest.

The bill is a very important structure in communication, breathing, evaporation, sensorial perception and feeding of birds. In fact, a world-known example is the relationship between feeding and the bill’s shape and size of Darwin’s finches (Image). However, these researchers asked themselves if the bill could also play a relevant paper in the regulation of body temperature. To answer this question they used a bird whose bill stands out within the animal world, the toco toucan (Ramphastos toco) (Fig. 1).

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Fig. 1 Toco toucan (Ramphastos toco) (Image property of William Warby CC 2.0)

They chose a very interesting species, after all, it’s the toucan with the largest bill and like any other bird, it’s an endothermic and a homoeothermic species. The ability to maintain body temperature within a favorable temperature range it’s the result of a balance between the amount of heat that the animal acquires with respect to the heat it dissipates, which is strongly related to other environmental variables, such as the temperature of the environment or the intensity of the wind. For example, if the ambient temperature is high, the animal will dissipate heat more easily if the wind is much intense.

Now… why the bill? Why is this body structure relevant in thermoregulation? The birds are covered by feathers, which function as insulation. However, there are areas of the body that are not isolated, such as the legs or the bill (Fig. 2). The bill is not just a not isolated structure; it’s also a very vascularized and elongated one, so it could function as a “thermal window“. In other words, it would be a structure that would function as a source of heat input or output. Finally, the heat could be maintained by the animal if the bill is closed or it could be dissipated if the bill is open. For all these reasons, the bill has adequate characteristics to function as a relevant structure in the regulation of body temperature.

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Fig. 2 Enlarged image of toco toucan’s bill (Image property of Mateus Hidalgo CC 2.5)

Once we know the background and the reasons why the interest lies in the bill, I’ll proceed to tell you, in a brief and simple way, the experiment that the team of Tattersall done. After capturing the individuals and kept them for a period of acclimation in captivity, the individuals were exposed, individually, to ambient temperatures that covered a very wide range (8ºC to 36ºC approximately). The researchers made several measurements, including recording with thermographic cameras the individuals when they were exposed to an environmental temperature of 10 to 35ºC.

Thanks to the obtained images they observed a variation in the vascularization of the bill according to the environmental temperature and they conclude that these individuals could lose up to 400% of heat through the peak (Image). The temperature of the bill was higher with the increment of environmental temperature.

Subsequently, new experiments have been developed to evaluate the role of the bill in thermoregulation thanks to the use of thermographic cameras. In fact, in another study led by Tattersall in 2017, the role of the bill in thermoregulation was evaluated in three species of Darwin’s finches: small ground finch (Geospiza fuliginosa) (Fig. 3), large ground finch (Geospiza magnirostris) (Fig. 4) and small cactus finch (Geospiza scandens) (Fig. 5).

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Fig. 3 Small ground finch (Geospiza fuliginosa) (Image property of Putneymark CC 2.0)
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Fig. 4 Large ground finch (Geospiza magnirostris) (Image property of Peter Wilton CC 2.0)
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Fig. 5 Small cactus finch (Geospiza scandens) (Image property of Nancy/ecosense CC 3.0)

In conclusion, they showed that in finches the bill is also a structure that participates in thermoregulation and that, in fact, larger bills lost more heat than small bills.


En 2009, una de las revistas más prestigiosas dentro del mundo de la ciencia, la revista Science, publicó un trabajo realizado por Tattersall y colaboradores donde demostraban el papel que juega el pico en la termorregulación. El rol del pico en la termorregulación se había tratado anteriormente en los años 80, pero debido al incremento de temperatura ambiental y la preocupación existente de cómo los animales responderán al calentamiento global, este aspecto fisiológico está adquiriendo interés.

El pico es una estructura muy importante en la comunicación, respiración, evaporación, percepción sensorial y en la alimentación de las aves. De hecho, un ejemplo mundialmente conocido es la relación que existe entre la alimentación y el pico en los pinzones de Darwin (Imagen). Sin embargo, estos investigadores se preguntaron si el pico podría, además, ser relevante en la regulación de la temperatura corporal. Para ello, trabajaron con un pájaro cuyo pico destaca dentro del mundo animal, el tucán toco (Ramphastos toco) (Fig. 1).

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Fig. 1 Tucán toco (Ramphastos toco) (Imagen propiedad de William Warby CC 2.0)

Escogieron una especie muy interesante, al fin y al cabo, es el tucán con el pico más grande y como cualquier ave, se trata de una especie endotérmica y homeoterma. La capacidad de mantener la temperatura corporal dentro de un rango de temperatura favorable no deja de ser el resultado de un balance entre la cantidad de calor que el animal adquiere respecto el calor que disipa, lo que está fuertemente relacionado con otras variables ambientales, como la temperatura del ambiente o la intensidad del viento. Por ejemplo, si la temperatura ambiental es elevada, el animal disipará calor más fácilmente si el viento es más intenso.

Ahora bien, ¿Por qué el pico? ¿Por qué esta estructura corporal puede ser relevante en la termorregulación? Los pájaros están cubiertos por plumas, las cuáles funcionan como aislante. No obstante, hay zonas del cuerpo que no están aisladas, como son las patas o el pico (Fig. 2). A su vez, el pico no sólo no está aislado sino que se trata de una estructura muy vascularizada y alargada, por lo que podría funcionar como “ventana térmica”. En otras palabras, sería una estructura que funcionaría como fuente de entrada y salida de calor. Finalmente, en cuánto al pico, el calor podría mantenerse si éste lo mantuvieran cerrado o bien, facilitarían la disipación de calor abriéndolo. Por todo ello, el pico presenta unas características aptas para funcionar como una estructura relevante en la regulación de temperatura corporal.

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Fig. 2 Imagen ampliada del pico del tucán toco (Imagen propiedad de Mateus Hidalgo CC 2.5)

Una vez conocemos los antecedentes y las razones de por qué el interés radica en el pico, pasaré a contaros de forma breve y sencilla el experimento. Tras la captura de los individuos y de un período de aclimatación en cautividad, los individuos fueron expuestos, individualmente, a un rango de temperaturas ambientales (de 8ºC a 36ºC aprox.). Los investigadores hicieron varias mediciones, entre ellas, grabaron con cámaras termográficas a los individuos cuando fueron expuestos a temperaturas de 10 a 35ºC.

Gracias a las imágenes obtenidas observaron una variación en cuanto a la vascularización del pico según la temperatura ambiental. De hecho, concluyeron que estos individuos podían llegar a perder hasta un 400% de calor a través del pico (Imagen).

Posteriormente se han desarrollado nuevos experimentos para evaluar el papel del pico en la termorregulación gracias al uso de cámaras termográficas. En otro trabajo liderado por Tattersall en 2017, se estudió el rol del pico en la termorregulación de tres especies de pinzones de Darwin: pinzón terrestre pequeño (Geospiza fuliginosa) (Fig.3), pinzón terrestre grande (Geospiza magnirostris) (Fig. 4) y pinzón de cactus común (Geospiza scandens) (Fig.5).

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Fig. 3 Pinzón terrestre pequeño (Geospiza fuliginoza) (Imagen propiedad de Putneymark CC 2.0)
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Fig. 4 Pinzón terrestre grande (Geospiza magnirostris) (Imagen propiedad de Peter Wilton CC 2.0)
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Fig. 5 Pinzón de cactus común (Geospiza scandens) (Imagen propiedad de Nancy/ecosense CC 3.0)

En él se demostró que en los pinzones el pico también es una estructura que participa en la termorregulación y de hecho, también confirmaron que los picos de mayor tamaño perdían más calor que los picos pequeños.


Al 2009, una de les revistes més prestigioses dins del món de la ciència, la revista Science, va publicar un treball realitzat per Tattersall i col·laboradors on demostraven el paper que juga el bec a la termoregulació. El rol del bec en la termoregulació, s’havia tractat anteriorment als anys 80, però degut al increment de temperatura ambiental i a la preocupació existent de cóm els animals respondran a l’escalfament global, aquest aspecte fisiològic ha adquirit interès.

El bec és una estructura molt important en la comunicació, respiració, evaporació, percepció sensorial i en l’alimentació en les aus. De fet, un exemple mundialment conegut és la relació existent entre l’alimentació i el bec en els pinsans de Darwin (Imatge). No obstant, els investigadors es van preguntar si el bec podria, a més, ser rellevant en la regulació de la temperatura corporal. Per això, van treballar amb un ocell amb un bec que destaca dins del món animal, el tucà toco (Ramphastos toco) (Fig. 1).

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Fig. 1 Tucà toco (Ramphastos toco) (Imatge propietat de William Warby CC 2.0)

Van escollir una espècie molt interessant, al cap i a la fi, és el tucà amb el bec més gran i com qualsevol au, es tracta d’una espècie endotèrmica i homeoterma. La capacitat de mantenir la temperatura corporal dins d’un rang de temperatura favorable no deixa de ser un balanç entre la quantitat de calor que l’animal adquireix respecte la que dissipa, el que està fortament relacionat amb altres variables ambientals, com la temperatura de l’ambient o la intensitat del vent. Per exemple, si la temperatura ambiental és elevada, l’animal dissiparà calor més fàcilment si el vent és més intens.

Ara bé, per què el bec? Per què aquesta estructura corporal pot ser important en la termoregulació? El ocells estan coberts per plomes, les quals funcionen com aïllants. Malgrat això, hi ha zones del cos que no es troben aïllades, com són les potes o el bec (Fig. 2). Alhora, el bec no només no està aïllat sinó que es tracta d’una estructura molt vascularitzada i allargada, per lo que podria funcionar com “finestra tèrmica”. En altres paraules, seria una estructura que funcionaria com a font d’entrada i sortida de calor. Finalment, en quan al bec, el calor podria mantenir-se si aquest romangués tancat o bé, es facilitaria la dissipació del calor obrint-lo. Per tot això, aquest presenta unes característiques aptes per funcionar com una estructura rellevant en la regulació de la temperatura corporal.

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Fig. 2 Imatge ampliada del bec del tucà toco (Imatge propietat de Mateus Hidalgo CC 2.5)

Un cop coneixem els antecedents i raons de perquè el bec pot ser una estructura a destacar, passaré a explicar-vos de forma breu i senzilla l’experiment. Rere la captura dels individus i d’un període d’aclimatació en captivitat, els individus van ser exposats individualment a temperatures ambientals de 8ºC a 36ºC aprox. Els investigadors van fer diverses mesures, entre d’elles, van filmar amb càmeres termogràfiques als individus quan van ser exposats a una temperatura ambiental de 10 a 35ºC.

Gràcies a les imatges obtingudes van observar una variació en quan a la vascularització del bec segons la temperatura ambiental. De fet, van concloure que els individus podien arribar a perdre fins un 400% de calor a través del bec (Imatge).

Posteriorment s’han desenvolupat nous experiments per avaluar el paper del bec en la termoregulació gràcies a l’ús de càmeres termogràfiques. En un altra estudi liderat per Tattersall al 2017, es va estudiar el rol del bec en la termoregulació de tres espècies de pinsans de Darwin: Geospiza fuliginosa (Fig. 3), Geospiza magnirostris (Fig. 4) i Geospiza scandens (Fig. 5).

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Fig. 3 Geospiza fuliginosa (Imatge propietat de Putneymark CC 2.0)
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Fig. 4 Geospiza magnirostris (Imatge propietat de Peter Wilton CC 2.0)
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Fig. 5 Geospiza scandens (Imatge propietat de Nancy/ecosense CC 3.0)

En aquest es va demostrar que en els pinsans el bec també és una estructura que participa en la termoregulació i de fet, van també van confirmar que els becs de major mida permetien perdre més calor que els becs petits.


Bibliography

  • Burness, G., Huard, J. R., Malcolm, E., & Tattersall, G. J. (2013). Post-hatch heat warms adult beaks: irreversible physiological plasticity in Japanese quail. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences, 280(1767), 20131436
  • Tattersall, G. J., Andrade, D. V., & Abe, A. S. (2009). Heat exchange from the toucan bill reveals a controllable vascular thermal radiator. science, 325(5939), 468-470
  • Tattersall, G. J., Chaves, J. A., & Danner, R. M. (2018). Thermoregulatory windows in Darwin’s finches. Functional Ecology, 32(2), 358-368
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  1. Pingback: Write-up about lab’s work | Tattersall Lab (T.E.M.P.)

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