摘要
兄弟姐妹之间不同的孵化时间可能导致资源分配的层次化，从而对晚孵化的雏鸟造成不利影响。晚孵化的雏鸟可能需要投入更多精力来发展与运动相关的骨骼结构，以赶上早孵化的雏鸟，并在离开巢穴后更好地生存，从而提高繁殖对的适应性。我们分析了南极乔治王岛Narebski Point地区巴布亚企鹅（Pygoscelis papua）和帽带企鹅（P. antarcticus）在孵化期间的生长模式。我们使用四参数的Unified-Richards生长曲线来拟合雏鸟的测量数据。对于巴布亚企鹅，生长曲线显示，所有身体特征的增长率在第一只雏鸟之前达到峰值，导致第二只雏鸟的增长率在孵化后期超过第一只雏鸟。而对于帽带企鹅，第二只雏鸟的最大增长率仅在体重方面晚于第一只雏鸟。我们的结果表明，即使是在系统发育关系密切的同域物种中，其发育策略也可能存在差异，第二只雏鸟会优先分配能量以减少早期生命阶段骨骼特征的不对称性。在实际应用中，我们的生长模型可以提供可靠的年龄估计，而无需考虑孵化顺序。对于巴布亚企鹅雏鸟，鳍状肢长度是最准确的年龄估计指标，而对于帽带企鹅雏鸟，则体重和头长更为可靠。
1 引言
出生后的生长是决定性生长物种中与个体适应性密切相关的基本生活史特征（Starck和Ricklefs 1998）。鸟类是典型的具有决定性生长的物种，大多数个体发育和生长在离巢前完成。了解这些物种的出生后生长和发育情况可以提供有关早期生活阶段经历如何影响种群动态（如存活率、繁殖力）以及个体适应性的宝贵信息（English等人2016；Lindström 1999）。早期发育阶段的生活史可以用于指导物种保护和管理工作（Cam和Aubry 2011）。在长寿的海鸟中，离巢前雏鸟的形态特征和身体状况通常与离巢后的存活率、招募率以及首次返回出生地的年龄有关（Maness和Anderson 2013；Monticelli和Ramos 2012；Morrison等人2009）。虽然不同物种的生长率根据其生活史策略而有很大差异（Ricklefs 1968a；Starck和Ricklefs 1998），但种内变异可能受到环境条件的影响（Blanco等人1996；Gebhardt-Henrich和Richner 1998；Sauve等人2023）。在每次产卵多于一个蛋的物种中，同一窝中雏鸟的不同孵化时间（孵化异步）可能导致食物和其他资源根据孵化顺序进行层次化分配（Blanco等人1996；Robertson等人2015）。早孵化的雏鸟在乞食和吸引父母注意方面也可能具有竞争优势（Drummond 2002；Royle等人2002；van Heezik和Seddon 1991）。这种层次化的食物分配导致兄弟姐妹之间的生长率和体型不对称性不同，当猎物稀缺时，晚孵化的雏鸟的死亡率可能更高（Merkling等人2014；Stienen和Brenninkmeijer 2006；van Heezik和Seddon 1991）。然而，一些物种通过孵化异步来平衡这种生长偏差。例如，在非洲企鹅（Spheniscus demersus）和帽带企鹅（Pygoscelis antarctica）中，据报道，在繁殖季节进行测量时，兄弟姐妹之间的鳍状肢长度和体重不对称性随着繁殖季节的进展而减少（Moreno等人1994；van Heezik和Seddon 1996）。晚孵化的雏鸟可能会加快生长速度，以减少竞争，从而提高繁殖对的适应性（van Heezik和Seddon 1996）。巴布亚企鹅（Pygoscelis papua）和帽带企鹅（P. antarcticus）是长寿的海鸟，它们每隔三到四天产一枚蛋（Lishman 1985；Williams 1980）。这种产卵间隔导致同一窝中雏鸟的孵化异步（帽带企鹅的平均异步期为1.0天，来自Moreno等人1994；巴布亚企鹅的平均异步期为1.6天，来自Lamey 1990）。这些半早熟的雏鸟由父母孵化并照料，直到孵化后大约30天（以下简称“照料期”）。在此之后，随着雏鸟对食物需求的增加，父母开始同时觅食，雏鸟离开巢穴并形成群体（Viñuela等人1996）。先前的研究发现，在帽带企鹅中，出生后的初始体重差异在雏鸟离巢前消失（Moreno等人1994）。Volkman和Trivelpiece（1980）使用线性回归系数比较了Pygoscelis属企鹅第一只和第二只雏鸟的平均生长率，但未发现三种物种（巴布亚企鹅、帽带企鹅和阿德利企鹅P. adeliae）之间的生长率差异。然而，由于雏鸟生长的非线性，当平均生长率表示为线性函数中的固定斜率时，很难表达随时间的变化。Volkman和Trivelpiece（1980）还观察到pygoscelid企鹅不同身体部位生长率的变化。这种差异性的出生后发育可以通过适应性生长假说来解释，即雏鸟将营养分配给在早期生命阶段对生存更关键的器官和身体部位的生长；也就是说，它们可能会优先发展后肢，这些后肢可能在后期雏鸟饲养期间对陆地捕食至关重要（Bustamante等人1992；O'Connor 1977；Gownaris和Boersma 2021；Volkman和Trivelpiece 1980）。这一阶段之后，它们在水生环境中对移动性的需求增加，需要追逐猎物并逃避捕食者；因此能量被转移到鳍状肢的生长上。适应性生长对雏鸟的适应性有益，我们预计与陆地移动（追逐、脚）相关的身体部位以及水生环境（鳍状肢和喙用于觅食）的身体大小不对称性会减少。尽管巴布亚企鹅和帽带企鹅属于同一属，使用相似的食物资源，并且经常在同一地点繁殖，但这两个物种适应了不同的生活史特征。帽带企鹅是长距离迁徙者，比巴布亚企鹅更晚到达繁殖地（Wilson等人1998；Hinke等人2015），因此在短暂的南极夏季可能有更有限的繁殖窗口。这可能导致这两种物种在出生后生长策略上的差异适应。迁徙物种通常比定居物种时间更加受限，因为它们需要足够的时间来抚养雏鸟、进行繁殖后的换羽，并为秋季迁徙做准备（Alves等人2013）。这种时间限制可能导致物种之间出生后生长策略的差异适应（Reed和Clark 2016）。研究表明，晚孵化或时间受限的雏鸟表现出加速的生长率，特别是对于离巢至关重要的形态特征，如犀鸟海雀Cerorhinca monocerata的翅膀发育（Hirose等人2012）。这表明，具有更严格繁殖季节性的帽带企鹅可能面临更大的选择压力，需要快速生长（时间最小化），而巴布亚企鹅可以适应更灵活的繁殖窗口，从而分别投资于每只雏鸟（风险分散）。此外，物种对环境线索的特定反应——帽带企鹅对食物生产力的敏感度更高，而巴布亚企鹅对温度条件更敏感（Juarez Martínez等人2026）——可能进一步塑造兄弟姐妹之间以及物种之间的差异生长投资策略。除了这些理论预测外，出生后雏鸟的生长曲线还可以用于估计野外的鸟类年龄。例如，我们可以通过单次测量来确定它们的孵化日期，而无需频繁重复访问巢穴。这种方法对于监测在偏远岛屿繁殖的海鸟特别有效，因为研究人员访问巢穴以确定孵化日期可能受到限制（Jeong等人2021；Ricklefs和White 1975；Villegas等人2013）。年龄估计的精确度和准确性可能因选择的形态测量、孵化顺序和雏鸟年龄而异，这是由于沿S形曲线的生长率差异和身体部位不同（Lok等人2014）。目前用于研究企鹅雏鸟的生长模型基于线性生长模式；因此，使用非线性生长曲线模型可以提高年龄估计的准确性。在这项研究中，我们使用四参数的Unified-Richards模型（U-Richards模型；Richards 1959；Svagelj等人2019；Tjørve和Tjørve 2010a, 2010b）描述了巴布亚企鹅和帽带企鹅雏鸟在照料期间的多种形态测量和体重的出生后生长模式。我们选择U-Richards模型是因为其灵活性，因为它可以调整拐点，从而比三参数模型（Svagelj等人2019；Tjørve和Tjørve 2017）更精确地估计这些企鹅物种观察到的非线性生长。首先，我们预测在第二只雏鸟的照料后期，它们的体型会赶上第一只雏鸟（生长异步）。其次，基于适应性生长假说（生长不对称性），我们预计这些生长模式在测量到的身体部位上不会相同，因为雏鸟需要发展在离开群体期间获取食物所必需的四肢。这可能导致照料期间第一只和第二只雏鸟的身体测量不对称性发生变化。第三，我们讨论了两种同域和同属物种的生活史和生态特征如何导致出生后发育策略的差异。除了测试这些假设外，我们还提供了用于野外应用的每种物种雏鸟年龄的估算公式，并评估了使用不同形态测量方法估计雏鸟年龄的生长模型的准确性，同时考虑了孵化顺序。
2 方法
2.1 研究地点和研究物种的繁殖生物学特征
野外数据收集于南极乔治王岛Narebski Point（南纬62°14′，西经58°46′）的帽带企鹅和巴布亚企鹅繁殖地，该地点是南极特别保护区（编号171）。我们在四个南半球夏季（2013-14年至2016-17年的12月至1月）测量了该繁殖地的雏鸟，作为对帽带企鹅和巴布亚企鹅种群进行长期监测的一部分。在研究期间，帽带企鹅和巴布亚企鹅的繁殖种群数量分别为2992±136对（平均值和标准差；范围=2850-3157对）和2317±222对（2112-2604对）。在研究期间，巴布亚企鹅的平均孵化日期（年度平均日期和标准差=344±7.5）比帽带企鹅更早且变化更大（年度平均日期和标准差=358±3.5）。帽带企鹅的成年鸟会照料它们的雏鸟大约4周（28天），然后当雏鸟年龄在53至57天之间时，它们会形成群体并离开海洋（Viñuela等人1996）。巴布亚企鹅的雏鸟在25-30天大时离开巢穴并开始形成群体，在大约75-100天大时离开繁殖地（南乔治亚岛的种群；Williams 1990）。因此，我们将孵化后的前30天视为两种物种的照料期。
2.2 采样方法和形态测量
从2013年到2014年，我们每3-5天检查500-1000个随机选择的巢穴，以估计每个季节每种物种的平均孵化时间。在这些巢穴中，我们随机重新选择了18个帽带企鹅的巢穴（2013年n=7个，2014年n=11个）和14个巴布亚企鹅的巢穴（2013年n=9个，2014年n=5个），我们能够确定这些巢穴的精确孵化日期，然后监测两只雏鸟随时间的生长情况（即，在采样巢穴选择的当天仍有蛋和雏鸟的巢穴；表1）。我们在巢穴边缘用编号的铝制标记进行标记以便识别，并每天访问它们，直到两只雏鸟都孵化。每个野外季节结束后，我们会取回这些标记。这些巢穴被频繁访问以测量雏鸟的形态特征（表1）。具体来说，帽带企鹅的巢穴被检查了7.08±1.25次，范围从4次到9次，每次访问之间的平均间隔为3.00到8.00天。巴布亚企鹅的雏鸟被测量了10.96±4.06次，范围从4次到15次，每次访问之间的平均间隔为2.38到6.33天。此外，我们在2014年至2016年间，对29个确认有雏鸟孵化的巢穴中的帽带企鹅雏鸟进行了两次形态测量（分别在0至3天大和27至30天大时）（表1）。这些雏鸟是随机选取的，用于一项研究，该研究旨在探讨父母饮食与雏鸟状况之间的关系。表1总结了每个物种和年份的样本巢穴数量（n）、测量间隔（天数）的平均值和标准差（SD）以及访问次数。
| 物种 | 年份 | n | 间隔（平均值±标准差） | 访问次数（平均值±标准差） |
|------|------|------|-----------------|----------------------|
| 长尾企鹅 | 2013 | 9 | 2.67±0.19 | 13.78±1.11 |
| | 2014 | 5 | 5.48±0.93 | 5.90±1.66 |
| | 2013 | 7 | 4.27±0.21 | 7.21±0.58 |
| | 2014 | 11 | 5.07±1.23 | 7.00±1.54 |
| | 2014 | 8 | 21.97±5.19 | 2.31±0.48 |
| | 2015 | 7 | 27.71±1.27 | 2.00±0.00 |
| | 2016 | 14 | 25.76±4.29 | 2.11±0.42 |
注：所有巢穴在所有调查期间都产下了两只雏鸟。我们步行缓慢接近选定的巢穴，在一只亲鸟孵育另一只雏鸟时，将一只雏鸟取出进行测量，并在测量过程中将其放回巢中。成年帽带企鹅会保护并啄击任何接近的物体，因此在将雏鸟放回巢中时，我们用手和手臂遮挡了它们的头部，以防止亲鸟啄伤雏鸟。对于帽带企鹅，最后一次测量时每只雏鸟的年龄为28.96±2.77天（n=92），除了一个在早期孵育期失败的巢穴。这个失败的巢穴被测量了四次，直到雏鸟分别达到10天和9天大。对于长尾企鹅，最后一次测量时它们的年龄为31.32±5.28天（n=28）。如果两只雏鸟在同一天孵化，我们通过观察绒毛羽毛上剩余的液体蛋内容物来确定它们的孵化顺序（稍大一些的雏鸟羽毛上的液体更少）。我们使用无毒的宠物指甲油笔（Pawdicure Polish Pen，Warren London，美国）在鳍足下标记不同的颜色，以区分每只雏鸟。帽带企鹅和长尾企鹅的平均孵化时间差分别为-1.11±0.76天和-1.21±0.80天。在同一天孵化的雏鸟数量分别为：帽带企鹅8个（17%），长尾企鹅3个（21%）。
我们使用游标卡尺测量了总头部长度（枕骨尖端到喙尖端）、喙长度（从羽毛边缘到喙尖端的长度）和最长脚趾长度（跖趾关节到第三趾指甲尖端的长度，包括关节上的软组织——这是企鹅的典型测量指标，尽管从解剖学上讲它实际上是最长脚趾、其指甲和软组织的长度），精度达到±0.1毫米；同时使用150毫米和300毫米的钢尺测量鳍足长度（从肱骨基部到鳍足尖端），精度达到±1毫米。我们在2013年的测量过程中开始测量最长脚趾长度，因此每种物种的测量数据较少。这限制了我们对长尾企鹅最长脚趾生长进行建模和预测的能力，以及使用最长脚趾长度来预测两种企鹅的年龄。我们根据雏鸟的体重，使用棉袋、弹簧秤（30、50、100、300、1000±1克和1000±10克；PESOLA，瑞士）和电子天平（50公斤±10克，Han Sung，韩国）进行称重。
2.3 生长模型拟合
将S形生长曲线拟合到野外获得的实证数据上，有助于描述生长模式、检查种内和种间变异，并估计雏鸟的年龄（Starck和Ricklefs 1998）。常用的鸟类生长模型包括逻辑斯蒂模型、Gompertz模型和van Bertalanffy模型；每种模型都由三个参数表示：最大体型或质量（A）、最大日生长率出现的年龄（Ti）和最大日生长率（k）（Ricklefs 1968a, 1973；Starck和Ricklefs 1998；Tjørve和Tjørve 2010b）。这些曲线的最大日生长率出现年龄（曲线的拐点）固定在最大体型或质量的不同比例上（Tjørve和Tjørve 2010a, 2010b）。然而，如果实际拐点与模型强制固定的位置相差甚远，这种固定的拐点位置可能导致参数估计不准确（Tjørve和Tjørve 2017）。因此，四参数Richards模型增加了一个额外的参数（d：形状），用于确定拐点的位置（Richards 1959；Tjørve和Tjørve 2010a）。d参数允许拐点在生长曲线上自由移动，从而使Richards模型具有灵活性（图1）。Tjørve和Tjørve（2010b）提出了一个重新参数化的Richards模型方程（Unified-Richards或U-Richards模型），其中包含一个回归参数，用于估计实际生长率，U-Richards模型在半早熟海鸟中的表现已被证明更优（Svagelj等人2019；Tjørve和Tjørve 2017）。
图1：统一-Richards曲线参数在产后生长建模中的作用。参数A、Ti和k分别代表曲线的上渐近线、拐点和拐点的斜率，表示最大体型或质量、最大相对生长率出现的年龄和最大相对生长率。参数d决定了拐点的体型或质量。我们使用最大似然法为每只雏鸟的每个形态测量值和体重拟合了U-Richards生长曲线（Pinheiro等人2022；Pinheiro和Bates 2000；Tjørve和Tjørve 2017）。由于样本量较小，我们仅拟合了帽带企鹅最长脚趾长度的生长曲线。我们为每种物种和孵化顺序都拟合了生长曲线。在方程中，Wt表示t年龄时的体型或质量。参数A、Ti和k分别表示上渐近线（最大体型或质量）、拐点（最大相对生长率出现的年龄）和拐点的斜率（最大相对生长率）（Tjørve和Tjørve 2017；图1）。参数d相对于Ti的A。参数d决定了拐点的相对大小（在最大相对生长率出现的年龄）。我们仅在雏鸟的守护期间测量了它们的生长情况，这可能导致拟合模型返回一个生物学上无意义的低上渐近线和一个凹陷的回归曲线（Austin等人2011；Ricklefs 1968b）。因此，正如Tjørve和Tjørve（2017）所建议的，我们使用了成体两种性别的每种形态特征的均值作为固定渐近线。帽带企鹅和长尾企鹅在体型上存在轻微的性别二态性（Amat等人1993；Renner等人1998），为了避免性别比例不平衡带来的偏差，我们在2014-2017年间从每种物种中随机抽取了60只个体，确保性别比例相等。鸟类的性别是通过分子性别鉴定方法确定的（Han等人2009）。由于对两组孵化顺序应用了相同的固定渐近线，因此生长参数的组间比较受个体真实渐近大小变化的影响较小。此外，我们还考虑了个体间的随机效应，以解释d、k和Ti的重复测量不独立性。在为每组第一只和第二只雏鸟拟合生长模型后，我们绘制了估计的生长曲线及其均值和95%置信区间（CI）、d、k和Ti参数的估计值以及固定的上渐近线（图2-4）。我们通过将最大相对生长率（k）乘以固定的上渐近线（gmax = k × A）将其转换为绝对最大生长率（gmax），以绘制最大生长率的位置（图3和4）。我们在2013年季节的重复测量过程中开始测量最长脚趾长度，因此每种物种的这一指标的测量数据较少。这限制了我们对长尾企鹅最长脚趾生长进行建模和利用最长脚趾长度预测年龄的能力。
2.4 体型不对称性的时间变化
我们通过计算同一天第一只（Wf）和第二只（Ws）雏鸟之间的体型和质量差异来计算生长不对称性的程度。为了研究体型不对称性的时间模式，我们使用R语言的lme4包（Bates等人2018）拟合了一个线性混合效应模型，将体型不对称性作为年龄和体型/质量的函数。我们包括了年龄的二次项及其与体型/质量的交互作用，因为基于似然比测试的模型比较，体型不对称性更适合用二次线表示（长尾企鹅：χ2 = 58.12，p < 0.001；帽带企鹅：χ2 = 70.04，p < 0.001）。线性混合效应模型还包括了年龄×体型/质量和年龄²×体型/质量的交互项。我们将巢穴作为随机效应，以考虑每个巢穴中不对称性的重复测量。我们使用R语言的emmeans包（Russell 2020）计算了第一只雏鸟孵化后最多40天的不对称性边际均值，以确定不对称性何时达到峰值，这取决于体型/质量。
2.5 年龄估计的准确性
我们评估了每种生长模型预测雏鸟年龄的能力，并确定了在考虑第一只和第二只雏鸟之间的生长差异后，年龄估计的准确性是否有所提高。我们使用以下方程（生长曲线函数的倒数，取自然对数函数内的绝对值）和生长曲线参数（A、k、Ti、d）的平均估计值（除了两种物种的最长脚趾长度）来估计给定体型和质量（Wt）时的年龄（t）。我们进行了10折交叉验证，为每个数据集拟合新的生长曲线，获得参数估计值，并比较年龄估计的准确性。我们根据孵化顺序（第一只和第二只雏鸟）和物种生成了平衡的随机折叠，并在groupdata2包（Olsen 2022）中使用个体雏鸟作为重采样单元。对于帽带企鹅，我们还将数据按测量频率分组（2013-2014年为频繁测量组，2014-2016年为不频繁测量组）。我们通过比较不考虑孵化顺序的所有个体的模型预测准确性与针对每个孵化顺序组构建的模型的平均预测误差，来测试孵化顺序对年龄估计的影响。我们使用均方根误差（RMSE）来衡量年龄估计的准确性。由于随着雏鸟年龄的增长，个体间的生长差异通常会增大，我们还计算了15天以下和15天以上的雏鸟的RMSE（Lok等人，2014年）。
3 结果
3.1 金图企鹅
第一和第二只雏鸟的生长曲线显示，在保护期结束时（孵化后30天），鳍状肢长度与成年大小的接近程度最高（分别为87.04%和84.88%），其次是头长（分别为73.64%和71.65%）、喙长（分别为67.97%和64.54%）以及体重（分别为47.94%和45.66%）（图3a-d）。参数估计显示，在所有骨骼测量指标和体重方面，第二只雏鸟达到最大相对生长率（Ti）的年龄明显高于第一只雏鸟（图2a，表S1）。第二只雏鸟达到最大相对生长率的平均年龄分别比第一只雏鸟晚7.25天（头长）、6.61天（喙长）、3.25天（鳍状肢长度）和1.90天（体重）。决定最大相对生长率时相对大小的d参数在第一只雏鸟中低于第二只雏鸟（图2a）。这表明第二只雏鸟的快速生长发生在它们更接近成年大小的时候，而第一只雏鸟的最大生长年龄则不同。在第一和第二只雏鸟的所有身体特征中，最大相对生长率（k）是相似的（见图2a，表S1）。在每日生长率的时间模式中（图3e-h），由于第二只雏鸟的Ti较晚，排名发生了反转（图2a）。由于Ti的差异，在保护期中期（孵化后10-20天）之前，第一只雏鸟的生长率明显高于第二只雏鸟。然而，在保护期后期，第一只雏鸟的生长率开始下降，而第二只雏鸟的形态测量特征的生长率持续增加并超过了第一只雏鸟（图3e-h）。这种生长率的反转在头长和鳍状肢长度上尤为明显。由于d参数的作用，第二只雏鸟在达到最大相对生长率时的头长和鳍状肢长度比第一只雏鸟更长（图3e,g）。然而，即使第二只雏鸟的喙长和体重平均生长率超过了第一只雏鸟，第一只和第二只雏鸟的每日生长率范围仍有相当大的重叠（图3f,h）。每窝雏鸟的大小不对称性拟合线在头长为25天、鳍状肢长度为27天、体重为31天时达到峰值（图5）。对于金图企鹅，头长和鳍状肢长度以及体重的不对称性在保护期后期开始减少（图5a,c,d），尽管喙长的不对称性在保护期后持续增加（图5b）。
3.2 领带企鹅
第一和第二只雏鸟的拟合生长曲线显示，在保护期结束时，鳍状肢（分别为96.49%和94.91%）和最长脚趾（分别为96.22%和94.98%）生长到了成年大小，而其他特征（头长=76.06%和74.39%；喙长=71.01%和69.50%）和体重尚未达到成年大小（分别为70.83%和68.04%）（图4a-e）。生长曲线模型显示，第一和第二只雏鸟之间的参数差异取决于身体特征（图2b）。对于头长、鳍状肢长度和最长脚趾长度，第一只雏鸟的k略高于第二只雏鸟，表明第一只雏鸟的最大相对生长率更高（图2b）。生长率估计显示，具有较高k的第一只雏鸟在达到最大相对生长率之前的生长速度更快（图4f,h,i）。然而，随着第一只雏鸟的生长率更急剧下降，第一只雏鸟的平均生长率差异也减小了。对于鳍状肢长度和最长脚趾长度，在保护期后期（孵化后20-30天），第二只雏鸟的生长率略高于第一只雏鸟（图4h,i）。对于体重，第一只雏鸟的拐点（Ti）平均比第二只雏鸟早1.89天（图2b）。因此，第一只雏鸟在达到最大相对生长率时的生长率更高，并且在更早的年龄达到最大值并开始下降。这导致在第二只雏鸟达到最大相对生长率时，其生长率高于第一只雏鸟（图4e,j）。尽管第二只雏鸟的喙长Ti高于第一只雏鸟，但95%置信区间有较大的重叠（图2b）。每窝领带企鹅中第一和第二只雏鸟之间的生长不对称性显示，最长脚趾长度的不对称性峰值最早出现（16天大），其次是鳍状肢长度（18天大）、头长（20天大）和喙长（24天大；图6）。这表明喙长、头长、鳍状肢长度和最长脚趾的不对称性从保护期中期和后期开始减少。然而，体重不对称性在整个保护期内持续增加（图6e）。
3.3 年龄估计
对于金图企鹅，使用鳍状肢长度和体重构建的模型的年龄估计准确性高于基于头长和喙长的模型（表2）。对于较年轻的雏鸟，头长和鳍状肢长度的准确性高于喙长和体重（表2）。对于领带企鹅，无论雏鸟年龄如何，基于体重的模型的年龄估计都比基于头长、喙长和鳍状肢长度的模型更准确（表2）。在骨骼测量指标中，头长的准确性优于喙长和鳍状肢长度（表2）。
表2. 金图企鹅（Pygoscelis papua）和领带企鹅（P. antarcticus）的年龄估计的均方根误差（均值±标准差；天），数据包括头长、喙长、鳍状肢长度和体重。
注：对于模型列，“所有个体”表示使用所有个体数据的模型参数估计，而“第一和第二只雏鸟”表示使用第一和第二只雏鸟数据的两个模型的参数估计。RSME结果的均值和标准差基于10折交叉验证。除了15天以上的领带企鹅雏鸟的鳍状肢长度外，所有身体特征的均值RMSE差异均小于一天（表2）。对于每个孵化顺序组构建的模型，平均而言，对于较年长的领带企鹅雏鸟的鳍状肢长度年龄估计，其准确性比使用所有个体数据开发的模型高出1.18天（表2）。然而，对于15天以上的雏鸟，第一只企鹅的均值RMSE最高增加了2.85倍（体重），领带企鹅增加了7.30倍（鳍状肢长度）（表2）。
4 讨论
我们为金图企鹅和领带企鹅的第一和第二只雏鸟拟合了四参数生长模型。无论孵化顺序如何，在保护期结束时（30天大），两种企鹅物种的鳍状肢长度都接近成年大小（图3和4）。对于领带企鹅雏鸟，最长脚趾长度的生长速度与鳍状肢长度相当。鳍状肢长度和最长脚趾长度的快速生长与之前在海鸟中的研究结果一致（Benowitz-Fredericks等人，2006年；Gownaris和Boersma，2021年；Volkman和Trivelpiece，1980年），这支持了适应性生长假说（O'Connor，1977年；Øyan和Anker-Nilssen，1996年）。在保护期之后，对于生存来说，快速发育的运动所需身体部位至关重要。两种物种的雏鸟都需要能够在陆地上移动以追逐父母乞食（在30天大之后），以及在水中生存。虽然在陆地上追逐父母乞食时鳍状肢看起来不那么重要，但早期研究认为，在早期生长阶段就开始生长鳍状肢可能是关键，因为鳍状肢在长度增长后必须硬化和变宽才能完全发挥作用（Gownaris和Boersma，2021年）。对于金图企鹅，生长曲线模型显示，第二只雏鸟的生长模式相对于第一只雏鸟有所延迟，因为它们达到最大相对生长率的年龄较晚（图3）。先前的研究报告称，雏鸟的生长率与父母提供的食物量密切相关（Benowitz-Fredericks等人，2006年；Braun和Hunt Jr，1983年）。第二只雏鸟的延迟生长表明，第一只雏鸟在向父母乞食时具有竞争优势。然而，从保护期中期开始，第二只雏鸟的生长率更快，且保护期后期的不对称性减小。其他特征的生长不对称性也表明，领带企鹅每窝中第一和第二只雏鸟之间的生长不对称性最早出现在最长脚趾长度（16天大），其次是鳍状肢长度（18天大）、头长（20天大）和喙长（24天大；图6）。这表明喙长、头长、鳍状肢长度和最长脚趾的不对称性从保护期中期和后期开始减少。然而，体重的不对称性在整个保护期内持续增加（图6e）。
对于金图企鹅（Pygoscelis papua）和领带企鹅（Pygoscelis antarcticus），第一和第二只雏鸟之间的头长（a）、喙（b）、鳍状肢长度（c）和体重（d）的生长不对称性计算方法为兄弟姐妹之间的绝对差异除以兄弟姐妹的平均值再乘以100，绝对差异是指同一日期兄弟姐妹之间的大小和重量差异。实线和灰色阴影区域代表通过线性混合效应模型估计的年龄和身体特征的函数关系的边际均值和95%置信区间。
对于金图企鹅，使用鳍状肢长度和体重构建的模型的年龄估计准确性高于基于头长和喙长的模型，尤其是对于较年轻的雏鸟（表2）。对于较年长的雏鸟，头长和鳍状肢长度的准确性高于喙长和体重（表2）。对于领带企鹅，无论雏鸟年龄如何，基于体重的模型的年龄估计都比基于头长、喙长和鳍状肢长度的模型更准确（表2）。在骨骼测量指标中，头长的准确性优于喙长和鳍状肢长度（表2）。
表2. 金图企鹅（Pygoscelis papua）和领带企鹅（P. antarcticus）的年龄估计的均方根误差（均值±标准差；天），数据包括头长、喙长、鳍状肢长度和体重。
注：对于模型列，“所有个体”表示使用所有个体数据的模型参数估计，而“第一和第二只雏鸟”表示使用第一和第二只雏鸟数据的两个模型的参数估计。RSME结果的均值和标准差基于10折交叉验证。除了15天以上的领带企鹅雏鸟的鳍状肢长度外，所有身体特征的均值RMSE差异均小于一天（表2）。对于每个孵化顺序组构建的模型，平均而言，对于较年长的领带企鹅雏鸟的鳍状肢长度年龄估计，其准确性比使用所有个体数据开发的模型高出1.18天（表2）。然而，对于15天以上的雏鸟，第一只企鹅的均值RMSE最高增加了2.85倍（体重），领带企鹅增加了7.30倍（鳍状肢长度）（表2）。
我们为金图企鹅和领带企鹅的第一和第二只雏鸟拟合了四参数生长模型。无论孵化顺序如何，在保护期结束时（30天大），两种企鹅物种的鳍状肢长度都接近成年大小（图3和4）。对于领带企鹅雏鸟，最长脚趾长度的生长速度与鳍状肢长度相当。鳍状肢长度和最长脚趾长度的快速生长与之前在海鸟中的研究结果一致（Benowitz-Fredericks等人，2006年；Gownaris和Boersma，2021年；Volkman和Trivelpiece，1980年），这支持了适应性生长假说（O'Connor，1977年；Øyan和Anker-Nilssen，1996年）。在保护期之后，快速发育运动所需的身体部位对生存至关重要。两种物种的雏鸟都需要能够在陆地上移动以追逐父母乞食（在30天大之后），以及在水中生存。虽然在陆地上追逐父母乞食时鳍状肢似乎不那么重要，但早期研究表明，在早期生长阶段就开始生长鳍状肢可能是关键，因为鳍状肢在长度增长后必须硬化和变宽才能完全发挥作用（Gownaris和Boersma，2021年）。对于金图企鹅，生长曲线模型显示，第二只雏鸟的生长模式相对于第一只雏鸟有所延迟，因为它们达到最大相对生长率的年龄较晚（图3）。先前的研究报告称，雏鸟的生长率与父母提供的食物量密切相关（Benowitz-Fredericks等人，2006年；Braun和Hunt Jr，1983年）。第二只雏鸟的延迟生长表明，第一只雏鸟在向父母乞食时具有竞争优势。然而，从保护期中期开始，第二只雏鸟的生长率更快，且保护期后期的不对称性减小，表明父母可能会给第二只雏鸟提供更多的食物。先前的研究还表明，其他企鹅物种的成年个体也会随时间调整窝内食物分配（Robertson等人，2015年；Wagner和Boersma，2019年）。在麦哲伦企鹅（Spheniscus magellanicus）中，保护期结束时，第二只雏鸟的猎物重量相对于其体重更高（Wagner和Boersma，2019年）。这可以减轻父母的负担，因为两个雏鸟的峰值生长期并不完全重叠；因此，父母可以在不同时间将食物分配给需要更多能量的雏鸟（不同步）。在另一项研究中，在食物有限的情况下，金图企鹅通过失去第二只孵化的雏鸟来减少窝内数量。尽管第二枚蛋的质量更大，但第一只孵化的雏鸟通过在兄弟姐妹孵化之前开始生长而获得竞争优势，最终超过它们（Williams和Croxall，1991年）。然而，Williams和Croxall（1991年）也认为，这种窝内数量减少和孵化不同步可能不是直接选择的结果，而是在寒冷条件下为了立即开始孵化而选择的后果——在产下第一枚蛋时就开始孵化，以防止冷却，这不可避免地导致第一只雏鸟较早孵化。我们发现，领带企鹅的第一和第二只雏鸟之间的生长模式差异因身体特征而异（图4）。头长和喙长测量显示，从保护期中期开始，第一和第二只雏鸟的生长率有相当大的重叠。在鳍状肢和最长脚趾长度方面，最初相对生长率较高的雏鸟生长得更快，但大约在第一批雏鸟生长拐点后的10天内，第二批雏鸟的生长率超过了第一批雏鸟。我们发现，最大相对生长率（Ti）的年龄仅在体重方面存在显著差异，这表明不同身体部位的最大生长时间在帽带企鹅的第一批和第二批雏鸟之间不那么明显，这与巴布亚企鹅的情况不同（图2）。这表明第一批和第二批雏鸟几乎同步生长，这可能意味着帽带企鹅的父母需要承担更大的觅食负担，因为它们需要在雏鸟生长高峰期同时喂养两只雏鸟。巴布亚企鹅喙长度的尺寸不对称性在守护期间持续增加，而其他特征则在雏鸟离巢前开始减少（图5）。之前对帽带企鹅雏鸟生长不对称性的研究发现，鳍状肢长度和体重的不对称性在雏鸟离巢后期基本消失，而喙长度的不对称性仍然存在（Moreno等人，1994年）。在Pygoscelis属中，喙在雏鸟离巢时并未达到成熟大小（Volkman和Trivelpiece，1980年），而在麦哲伦企鹅中，喙的大小并不是雏鸟存活的预测因素，而鳍状肢和脚的大小则是（Koehn等人，2016年）。这些先前的研究表明，与早期发育阶段的鳍状肢大小相比，喙的生长对存活的影响可能较小。喙长度不对称性的延迟峰值表明，第二批雏鸟可能优先发展其他身体部位，以提高离巢后的存活率。在帽带企鹅中，兄弟姐妹之间的体重不对称性在整个守护期间都在增加，而大多数其他骨骼特征的不对称性在守护期结束时减少。之前对麦哲伦企鹅的研究表明，30天以下的雏鸟可能会根据资源可用性来分配能量和资源给骨骼特征（Gownaris和Boersma，2021年）。在普通海鸠（Uria aalge）中，雏鸟在大约20天时优先发展翅膀（Benowitz-Fredericks等人，2006年）。这些研究表明，在某些海鸟物种中，优先分配资源给骨骼特征可能代表了一种发育生长模式。因此，帽带企鹅体重不对称性的延迟峰值表明，在守护期间，第二批雏鸟可能优先发展骨骼特征而非体重。关于骨骼特征，喙长度的不对称性在我们的研究和Moreno等人（1994年）的帽带企鹅研究中开始减少的时间晚于其他特征。此外，最长脚趾长度的不对称性峰值出现的时间以及不对称性消失的年龄最早，其最快的生长发生在守护期的早期和中期。这表明，减少最长脚趾长度的不对称性可能对守护期后的存活至关重要。不对称性达到峰值然后减少的顺序通常遵循适应性发展的预期顺序。在帽带企鹅中，最长脚趾的不对称性最早减少（16天达到峰值），其次是鳍状肢（18天），头部总长度（20天）和喙（24天）。这一顺序与适应性生长假说一致，该假说预测对早期守护后存活至关重要的身体部位——特别是陆地移动所需的运动结构（脚）和水生移动所需的鳍状肢——会优先减少兄弟姐妹之间的尺寸劣势。头部和喙测量值的不对称性减少较晚，这些结构对移动的直接重要性较低，进一步支持了雏鸟首先将资源分配给功能重要结构的观点。我们的结果揭示了巴布亚企鹅和帽带企鹅之间不同的生长策略，这与它们不同的生活史特征相符。巴布亚企鹅在第一批和第二批雏鸟之间的生长峰值时间有明显的分离（Ti差异为1.9-7.3天，取决于特征），而帽带企鹅的兄弟姐妹生长更为同步，Ti差异较小。这种模式与其繁殖物候限制的预测一致。作为远距离迁徙者，帽带企鹅在繁殖地到达的时间较晚（Hinke等人，2015年），面临更紧凑的繁殖窗口。根据我们的观察，我们推测观察到的更同步的生长模式可能反映了“时间最小化”策略，即两只雏鸟必须在秋季迁徙开始前的狭窄时间窗口内达到关键发育阈值（特别是鳍状肢和脚的发育）。这种解释与其他迁徙物种的研究结果一致，其中时间受限的雏鸟表现出加速或同步的生长模式（Reed和Clark，2016年；Hirose等人，2012年）。相比之下，巴布亚企鹅是短距离迁徙者或居民，可以根据当地环境条件调整繁殖时间（Black，2016年；Juarez Martínez等人，2026年）。兄弟姐妹之间生长峰值的错开可能代表了一种“风险分散”策略，使父母的养育努力在整个繁殖季节更加均匀分布。这种灵活性可以缓冲巴布亚企鹅种群对短期环境变化的影响，因为父母可以在各自的生长高峰期依次为雏鸟分配资源，而不是同时面对两个后代的高需求。体重不对称性的对比模式进一步支持了这一解释。在巴布亚企鹅中，体重不对称性在守护期结束前达到峰值然后减少，表明第二批雏鸟优先发展必要的骨骼结构，即使以维持体重不对称性为代价，这也符合时间受限的繁殖策略。使用来自两个物种一窝中的第一、第二只或两只雏鸟建立的模型进行年龄估计的预测准确性没有显著差异（表2）。这可能是由于与第一只和第二只雏鸟相比，它们的大小和重量变化相对较小。我们的结果表明，使用所有个体数据的生长模型有助于估计雏鸟的年龄，无论孵化顺序如何。年龄估计的交叉验证结果显示，对于巴布亚企鹅雏鸟的所有年龄组，鳍状肢长度比头部总长度、喙长度和体重更适合年龄估计。相比之下，对于帽带企鹅雏鸟，基于头部总长度和体重的年龄估计准确性高于基于喙和鳍状肢长度的估计。这表明，对于帽带企鹅雏鸟，头部总长度和体重的年龄估计比其他两个特征更可靠。我们的测量仅限于守护期（约30天），在此期间大多数特征尚未达到成年大小。由于从这种截断的数据自由估计上渐近线可能会产生生物学上不现实的生长曲线（Austin等人，2011年；Tjørve和Tjørve，2017年），我们使用了来自具有相等性别比例的成年个体的固定渐近线。虽然这种方法可能无法捕捉到成年个体之间的大小差异，这可能会影响个体水平的相对生长率（k）估计，但相同的固定渐近线应用于每个物种的第一只和第二只雏鸟组，这意味着任何偏差都是对称的，不会影响我们研究中的组间比较。此外，我们模型中的d、k和Ti的个体水平随机效应解释了部分这种变化。未来在守护期之后进行更长时间监测或纳入性别特定渐近线的研究可以进一步细化生长参数估计。鉴于两种物种都观察到的性别二态性，我们的结果可能受到了未考虑的基于性别的差异的混淆。认识到这一不足，我们建议未来的研究需要将性别作为生长分析中的一个重要变量。在这项研究中，我们无法采样和识别雏鸟的性别，但至少对于帽带企鹅，Fargallo等人（2006年）没有发现雏鸟性别与孵化顺序之间的关系，支持将雏鸟性别视为生长模型中随机误差的来源。因此，我们认为这不会在我们的研究中引入严重的偏差，影响结论。此外，为了更全面地了解这些生长策略及其对适应性的影响，未来的研究应该探讨未在我们研究中考虑的外部环境因素的影响。Sauve等人（2022年）表明，生长条件根据孵化顺序不同地影响雏鸟体重的生长率，随着气候变化的持续，这些动态可能会随时间改变。因此，未来研究分析环境变量如何影响不同身体部位和孵化顺序的生长率，并评估其对雏鸟存活的后续影响，可能在理解海鸟种群对气候变化和海洋条件的响应中发挥关键作用。
4.1 总结
我们的研究发现，对于两种物种来说，对移动至关重要的骨骼特征（如鳍状肢和脚）的生长速率比其他身体部位更快。此外，兄弟姐妹之间的尺寸不对称性在喙长度方面减少得更为渐进。这些模式表明，雏鸟优先发展对守护期后存活至关重要的身体部位，可能提高了它们的适应性。值得注意的是，这两个同属物种表现出不同的生长策略；巴布亚企鹅在兄弟姐妹之间的生长峰值时间有明显的分离，符合风险分散策略，而帽带企鹅则表现出更同步的生长，可能反映了由于繁殖窗口更受限而驱动的时间最小化策略。对于野外应用，我们的生长模型提供了可靠的年龄估计，无论孵化顺序如何，在早期产后生长期间，鳍状肢长度是巴布亚企鹅雏鸟最准确的预测因子，而体重和头部总长度是帽带企鹅最准确的预测因子。未来结合雏鸟性别识别并跟踪雏鸟直到它们达到完全成年大小的研究将进一步澄清这些生长策略在雄性和雌性后代之间是否存在差异，并充分发挥生长曲线的潜力。
作者贡献
Min-Su Jeong：概念化（主导），数据管理（主导），正式分析（主导），方法论（平等），软件（主导），验证（平等），可视化（主导），写作——初稿（主导），写作——审阅和编辑（平等）。Hankyu Kim：概念化（主导），数据管理（平等），正式分析（平等），方法论（主导），软件（平等），验证（平等），可视化（平等），写作——初稿（主导），写作——审阅和编辑（主导）。Woo-Shin Lee：概念化（支持），资金获取（主导），调查（支持），项目管理（支持），资源（支持），监督（支持），写作——初稿（支持），写作——审阅和编辑（平等）。Chang-Yong Choi：概念化（支持），方法论（支持），监督（支持），验证（平等），写作——初稿（支持），写作——审阅和编辑（主导）。
致谢
Seongjun Tak、Junsoo Kim和Hanna Kim帮助记录了测量数据并协助了野外数据收集。我们感谢King Sejong Station的工作人员提供的友好后勤支持和管理。我们还要感谢Jeong-Hoon Kim和韩国极地研究所的支持团队在行政和许可流程方面的帮助。
资金
本研究由韩国环境部资助，作为南极特别保护区171号（King George Island）长期生态系统监测计划的一部分（通过韩国极地研究所；PG13130、PG14030、PG15040、PG16040和PG17040）。作者感谢韩国极地研究所和King Sejong Station对我们南极野外研究的支持。HK在2023年获得了庆熙大学（KHU-20233274）和韩国国家研究基金会（RS-2024-00342882）的资助。MJ获得了韩国国家研究基金会（NRF）的Global—Learning & Academic Research Institution for Master’s·PhD students, and Postdocs（G-LAMP）项目的资助，该项目由教育部（No. RS-2025-25442355）资助。
伦理声明
所有在活企鹅身上进行的程序均符合南极海洋生物资源保护委员会（CCAMLR）生态系统监测计划标准方法中的伦理标准，并获得了韩国外交部根据《南极活动及南极环境保护法》的许可[ILAD-2692（2013-10-18）、ILAD-3328（2015-11-16）、ILAD-3960（2016-11-23）的批准。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
数据可用性声明
所有研究数据和用于拟合生长模型的R代码都可在支持信息中找到。
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