The Auk 134(1):65-75. 2017
Habitat-specific divergence of air conditioning structures in bird bills
Divergencia dependiente del hábitat en estructuras acondicionadoras del aire de los picos de las aves open access
Raymond M. Danner 1,a*, Eric R. Gulson-Castillo 2, Helen F. James 3, Sarah A. Dzielski 2, David C. Frank III 2, Eric T. Sibbald 2, and David W. Winkler 2
1Smithsonian Migratory Bird Center, Smithsonian Conservation Biology Institute, Washington, DC, USA
2Department of Ecology and Evolutionary Biology, Cornell University, Ithaca, New York, USA
3Department of Vertebrate Zoology, National Museum of Natural History, Smithsonian Institution, Washington, DC, USA
aDepartment of Biology and Marine Biology, University of North Carolina Wilmington, Wilmington, North Carolina, USA
*Corresponding author: dannerr@uncw.edu
Source/Fonte: E. Gulson-Castillo and E. Sibbald
ABSTRACT
We used high precision computed tomography (CT) and traditional radiography to study the nasal conchae, complex structures within the nasal cavity that condition air via countercurrent heat exchange. Air conditioning in the conchae assists thermoregulation and water balance, both of which pose challenges for many birds. We hypothesized that hot and water-limited environments would select for larger or more complex conchae to maximize moisture recapture during exhalation and in turn cause the evolution of deeper and wider bills. We provide the first intraspecific comparison of concha size and structure in birds based on CT scans of 15 individuals and radiographs of 39 individuals of 2 subspecies of Song Sparrow (Melospiza melodia) that inhabit climatically distinct habitats. CT scans revealed that middle and rostral conchae filled the nasal cavities and had larger surface areas in individuals with larger nasal cavities. The subspecies that inhabits hot and dry coastal dunes (M. m. atlantica) had relatively larger conchae and greater overlap of middle and rostral conchae than a nearby inland subspecies that inhabits moister environments (M. m. melodia). Radiographs revealed deeper and wider nasal cavities in the dune-endemic subspecies, further indicating they have larger conchae. Locations of maximum complexity of both conchae were more distal in the dune endemic subspecies. These anatomical differences suggest current or past divergent selection pressures on conchae; the larger conchae in the dune subspecies may allow greater water recapture while exhaling. The conchae and external bill are nested structures that were positively related in size and play functionally related roles in thermoregulation, therefore suggesting phenotypic integration. We hypothesize that the typically deeper and wider bill of the dune subspecies has evolved, at least in part, to accommodate larger conchae.
RESUMEN
Utilizamos tomografía computarizada (TC) de alta precisión y radiografía tradicional para estudiar los cornetes nasales, los cuales son estructuras complejas dentro de las fosas nasales que acondicionan el aire mediante el intercambio de calor a contracorriente. El acondicionamiento de aire en los cornetes nasales asiste a la termorregulación y al equilibrio hídrico, los cuales presentan retos para muchas aves. Hipotetizamos que ambientes cálidos y limitados de agua favorecerían cornetes más grandes o complejos para maximizar la retención de humedad durante la exhalación y, así, causar la evolución de picos más profundos y anchos. Presentamos la primera comparación intra-específica de tamaños y estructuras de cornetes en aves basándonos en las TC de 15 individuos y las radiografías de 39 individuos de dos subespecies de Melospiza melodia que vive en hábitats de climas distintos. Las TC revelaron que los cornetes llenaban las fosas nasales y tenían mayor área superficial en individuos con fosas nasales más grandes. La subespecie que habita en dunas costeras cálidas y secas (M. m. atlantica) tenía cornetes medios relativamente más grandes y mayor superposición entre los dos pares de cornetes que la subespecie que habita en ambientes cercanos más húmedos, tierra adentro (M. m. melodia). Las radiografías revelaron fosas nasales más profundas y anchas en la subespecie endémica de las dunas, lo cual indica aún más que tienen cornetes más grandes. Las localidades de máxima complejidad en ambos cornetes fueron más distales en la subespecie endémica de las dunas. Estas diferencias anatómicas sugieren que los cornetes experimentan o han experimentado fuerzas de selección divergentes: los cornetes más grandes de la subespecie que habita en dunas quizás permitan la retención de más agua durante la exhalación. Los cornetes y el exterior del pico son estructuras encajadas que estaban positivamente relacionadas en tamaño y tienen funciones relacionadas con la termoregulación, sugiriendo integración fenotípica. Hipotetizamos que los picos típicamente más profundos y anchos de la subespecie de las dunas han evolucionado, por lo menos en parte, para acomodar cornetes más grandes.
Palabras clave: cornetes nasales, conchas nasales, termorregulación, equilibrio hídrico, morfología del pico, Melospiza melodia, Tomografía Computerizada TC de alto contraste, rayos X
Received: May 30, 2016; Accepted: August 22, 2016; Published: November 9, 2016
Keywords: nasal conchae, turbinate, thermoregulation, water balance, bill morphology, Song Sparrow, contrast-enhanced CT scan, X-ray
© 2016 American Ornithologists' Union
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