Naukowcy budują kamerę, aby „pokazać”, jak zwierzęta widzą poruszające się rzeczy
18 marca 2024 06:00 | Zaktualizowano o 17:09 czasu wschodniego – Bengaluru
Filmy wideo rejestrowane przez zwierzęta mogą pomóc rolnikom wykryć szkodniki owocowe niewidoczne dla ludzkiego oka, ale łatwo widoczne dla niektórych zwierząt
Na tej ilustracji porównano trzy kwiaty – letni płatek śniegu (A, B), niebieski floks (C, D) i niebieskofioletowy (D, E) – w fałszywych kolorach pszczół miodnych (po lewej) i kolorach widocznych dla człowieka (po prawej). | Źródło zdjęcia: Vasas V i wsp., 2024, PLOS Biology, CC-BY 4.0
Dla większości ludzi liście są zielone, a pomarańcze pomarańczowe. Ale gdyby nasze zwierzęta umiały mówić, nie zgodziłyby się z tym.
Wiemy, że istnieje wiele różnych sposobów „widzenia” świata, ponieważ taką właśnie różnorodność znaleźliśmy u zwierząt. Organizmy zdolne do widzenia mają dwoje lub więcej oczu, które wychwytują światło odbite od różnych powierzchni w ich otoczeniu i przekształcają je w wskazówki wizualne. Chociaż wszystkie oczy mają ten sam cel, wyspecjalizowane komórki reagujące na światło, zwane fotoreceptorami, są unikalne dla każdego zwierzęcia.
Na przykład ludzkie oko może wykryć jedynie długość fali światła od 380 do 700 nanometrów (nm); to jest zakres widzialny. Z drugiej strony pszczoły miodne i wiele ptaków również „widzi” światło ultrafioletowe (10–400 nm).
Chociaż zasięg widzenia człowieka jest stosunkowo ograniczony, nie zmniejszy to ludzkiej ciekawości, jak zwierzęta postrzegają świat.
Na szczęście nie musimy sobie zbyt wiele wyobrażać. Naukowcy z Uniwersytetu w Sussex i Uniwersytetu George’a Masona (GMU) w USA opracowali nowy aparat umożliwiający oglądanie świata w sposób przypominający zwierzęta. W artykule opublikowanym w Biologia PLoSzespół napisał, że ich urządzenie może nawet ujawnić, jakie kolory widzą różne zwierzęta w ruchu, co jak dotąd nie było możliwe.
Uczynić niewidzialne widzialnym
Zwierzęta używają kolorów, aby zastraszyć drapieżniki, zwabić partnerów lub ukryć się. Wykrywanie różnic w kolorach jest zatem niezbędne dla przetrwania zwierzęcia. Zwierzęta ewoluowały, aby wykształcić bardzo czułe fotoreceptory, które potrafią wykrywać światło o długości fal ultrafioletowych i podczerwonych; wielu nawet zauważa spolaryzowane światło jako część swojego Umwelt – systemów biologicznych, które umożliwiają specyficzny system tworzenia znaczeń i komunikacji.
Ani ludzkie oczy, ani większość komercyjnych kamer nie jest w stanie dotrzeć do tego niezbadanego terytorium widzenia zwierząt. W nowym badaniu przedstawiciele biologii, wizji komputerowej i programowania połączyli siły, aby stworzyć narzędzie, które mogłoby rejestrować i śledzić złożoność sygnalizacji wizualnej zwierząt.
Opalizujące pawie pióro oczami czterech zwierząt
Narzędzie łączyło istniejące techniki fotografii wielospektralnej z nową konfiguracją aparatu i rozdzielaczem wiązki (w celu oddzielenia światła ultrafioletowego i światła widzialnego), a wszystko to zamknięte w niestandardowej jednostce wydrukowanej w 3D. System nagrywał filmy jednocześnie w kanale widzialnym i ultrafioletowym, przy naturalnym oświetleniu. Do sygnału wyjściowego kamery wprowadzono kod (napisany w języku Python), który mógł przekształcić dane wizualne w sygnały fizyczne wytwarzane przez komórki fotoreceptorów.
Na koniec badacze zmodyfikowali te sygnały w oparciu o to, co już wiedzieli o działaniu fotoreceptorów zwierzęcia, i nakręcili filmy wiernie odzwierciedlające to, co zwierzę może zobaczyć. W tych filmach używano fałszywych kolorów, aby na przykład określony kolor mógł zastępować obrazy w ultrafiolecie.
Podsumowując, system kamer przełożył to, co zwierzęta widzą w świetle widzialnym i niewidzialnym, na kolory kompatybilne z ludzkim okiem.
Wyzwanie czasowe
Być może widziałeś już obrazy w sztucznych kolorach – na przykład kultowe zdjęcie „Filarów Stworzenia” wykonane przez kosmiczny teleskop Hubble’a. Gwiazdy i mgławice w rzeczywistości nie wyglądają tak olśniewająco dla ludzkich oczu. Są one pokolorowane w ten sposób, aby pokazać, co teleskop widział w, powiedzmy, podczerwieni lub falach radiowych. Naukowcy wykorzystali także obrazy w sztucznych kolorach, aby zrozumieć, w jaki sposób kwiaty odbijają światło ultrafioletowe i wpływają na zachowanie pobliskich owadów.
Ale fałszywe kolory mogą tylko zastąpić wiele. Według naukowców istniejące techniki wizualizacji kolorów, które widzą zwierzęta, wymagają światła odbitego od obiektu, aby przewidzieć, jak zareaguje fotoreceptor zwierzęcia, lub wymagają serii zdjęć w długościach fali wykraczających poza ludzkie widzenie (za pomocą pasmowo-przepustowych filtrów optycznych). Obydwa scenariusze wymagają, aby obiekt był nieruchomy. Nowy system może jednak wizualizować organizmy wolno żyjące w ich naturalnym środowisku.
Ponadto Pavan Kumar Reddy Katta, asystent na GMU i jeden z autorów badania, powiedział, że zespół napisał program, który może przyjmować dane zarówno w zakresie ultrafioletu, jak i światła widzialnego i wyświetlać kompletne filmy. „Wykorzystaliśmy ciągły strumień, co pozwoliło nam rozdzielić nasze dane w różnych punktach przestrzeni i czasu oraz stworzyć wizualizacje w czasie rzeczywistym w trybie widzenia zwierząt” – powiedział autorowi.
Następna wielka rzecz w widzeniu zwierząt
Wyposażeni w nowy aparat zespół badawczy sprawdził, co kryje się za kwiatem czarnookiej Susan (Rudbekia hirta) wygląda jak pszczoły miodne (Apis mellifera).
„Naszym okiem czarnooka Susan wydaje się całkowicie żółta, ponieważ w zakresie widzialnym dla człowieka odbija głównie światło o długich falach” – napisano w swojej pracy zespół. „Podczas gdy na zdjęciu pszczoły w fałszywych kolorach dalsze płatki wydają się purpurowe, ponieważ odbijają również ultrafiolet, stymulując zarówno fotoreceptory wrażliwe na ultrafiolet, jak i te wrażliwe na światło zielone… Natomiast środkowa część płatków nie odbija ultrafioletu i dlatego wydaje się czerwony.”
Według artykułu mechanizmy wizualne, które wyewoluowały zwierzęta w celu komunikowania się i ochrony, mogą pomóc w rozwiązaniu wielu naszych problemów z wykrywaniem. Na przykład film przedstawiający wizję zwierząt może pomóc ludziom lepiej poruszać się po dzikich krajobrazach, nie raniąc zakamuflowanych zwierząt. Może pomóc rolnikom wykryć szkodniki owocowe, które nie są widoczne dla ludzkiego oka, ale są łatwo widoczne dla zwierząt, które ewoluowały, aby jeść te owoce.
Daniel Hanley, adiunkt na GMU i współautor badania, powiedział, że ich wynalazek może nawet zmienić sposób kręcenia filmów dokumentalnych o dzikiej przyrodzie. System kamer mógłby umożliwić filmowcom i ekologom rejestrowanie świata zwierząt za pomocą nowego obiektywu i tworzenie nowych wrażeń wizualnych. Powiedział także, że uderzające obrazy platformy można wykorzystać do przekazania młodym odbiorcom wiedzy o świecie żywych.
„Zastanawiamy się nad stworzeniem wystawy naukowej dla dzieci, wykorzystując naszą aranżację, kwiaty i żywe zwierzęta” – powiedziała dr Hanley. „Gdzie dzieci mogą po prostu kliknąć przycisk i doświadczyć tego, co może zobaczyć wąż lub pszczoła miodna”.
Sanjukta Mondal jest chemikiem, który stał się pisarzem naukowym, mającym doświadczenie w pisaniu artykułów popularnonaukowych i scenariuszy dla kanałów STEM na YouTube.
To jest artykuł Premium dostępny wyłącznie dla naszych subskrybentów. Aby czytać ponad 250 takich artykułów premium każdego miesiąca
Wyczerpałeś limit bezpłatnych artykułów. Prosimy o wsparcie dobrego dziennikarstwa.
Wyczerpałeś limit bezpłatnych artykułów. Prosimy o wsparcie dobrego dziennikarstwa.
Przeczytałeś {{data.cm.views}} poza {{data.cm.maxViews}} darmowe artykuły.
To jest Twój ostatni darmowy artykuł.
