PLOS Biology: Гиперспектральная визуализация подсвечивает краски оперения птиц

Животные демонстрируют удивительное разнообразие цветов и узоров — от переливающегося хвоста павлина до характерных розочек на мехе ягуара. Количественная оценка окраски животных — давняя цель эволюционных биологов, которые стремятся понять, как цвет эволюционировал с течением времени, а также физические и генетические механизмы, связанные с этим.

В конечном счете, изучение окраски животных важно потому, что оно может показать, как эволюционные силы, такие как естественный и половой отбор, отдают предпочтение одним признакам перед другими. Однако полностью передать цвет животных довольно сложно, поскольку исследователям приходится выбирать между высоким пространственным разрешением (как в традиционной фотографии, которая фиксирует информацию в ограниченном количестве цветовых каналов) и высоким спектральным разрешением (как в спектрофотометрии, которая фиксирует спектр отражения в одной точке).

Результаты опубликованы в издании PLOS Biology.

Эволюционные биологи из Принстонского университета недавно использовали гиперспектральную съемку — современный инструмент, который измеряет подробную спектральную информацию в каждом пикселе изображения — для изучения цвета оперения птиц. Гиперспектральная съемка работает путем разделения светового спектра на ряд узких полос, каждая из которых соответствует небольшому диапазону длин волн.

По сути, изображение делается в каждой из этих узких полос, создавая стопку изображений (или «куб данных»), которая содержит как пространственную, так и спектральную информацию. Каждый пиксель в кубе данных содержит подробную информацию о длинах волн отраженного света.

«Гиперспектральная съемка — это лучшее из двух миров», — объясняет доктор Мэри Кэсуэлл Стоддард, профессор кафедры экологии и эволюционной биологии и старший автор исследования. „Исследователи могут получить исчерпывающие данные об отражательной способности всего образца за несколько минут, что открывает новые возможности для изучения цвета животных“.

Гиперспектральная съемка, часто применяемая в сельском хозяйстве и медицине, использовалась в нескольких исследованиях окраса животных, но ее применение в целом было медленным. Гиперспектральные данные могут быть громоздкими, а коммерческие камеры дороги и редко захватывают все длины волн, имеющие отношение к животным.

«В нашем исследовании мы разработали новую вычислительную схему — серию пошаговых анализов, чтобы показать, как исследователи могут получить и изучить гиперспектральные данные, полученные от музейных образцов. Мы опубликовали все собранные нами гиперспектральные данные, а также весь разработанный нами код, чтобы помочь другим воспроизвести и развить наши методы», — сказал доктор Бен Хоган, младший научный сотрудник и ведущий автор исследования.

Хоган и Стоддард использовали коммерческую камеру, чувствительную к длинам волн от 325 до 700 нанометров, что в значительной степени соответствует спектру, видимому для птиц (обычно от 300 до 700 нанометров), включая ультрафиолетовый диапазон (от 300 до 400 нанометров).

У многих птиц есть перья, отражающие ультрафиолетовый свет.

«Используя гиперспектральную съемку, мы можем легко получать детальные ультрафиолетовые изображения, иногда выявляя целые участки ультрафиолетового цвета, невидимые для человека», — говорит Стоддард.

Чтобы продемонстрировать возможности гиперспектральной съемки в исследовании цвета животных, Хоган и Стоддард сосредоточились на райских птицах. Эти харизматичные птицы обитают в Новой Гвинее и близлежащих регионах и известны своим ярким оперением и сложными ухаживаниями.

Основным объектом интереса стал редкий гибрид райской птицы короля Голландии. В мире известно всего около 25 музейных экземпляров самцов, 12 из которых хранятся в Американском музее естественной истории (AMNH) в Нью-Йорке. Гибрид, представляющий собой скрещивание королевской и великолепной райских птиц, имеет оперение, сочетающее черты двух родительских видов.

Собрав и проанализировав гиперспектральные данные с образцов, взятых в AMNH, Хоган и Стоддард смогли определить степень, в которой внешний вид гибрида был действительно промежуточным, то есть представлял собой точное сочетание цветов родительских видов.

«Мы с удивлением обнаружили, что для нескольких участков оперения — даже тех, которые окрашены очень специфическими микро- и наноструктурами, — окраска гибрида действительно напоминает смесь окраски родительских фенотипов», — говорит Хоган.

Хоган и Стоддард также объединили гиперспектральную съемку с фотограмметрией — техникой, которая сшивает вместе сотни традиционных снимков, сделанных под разными углами, — чтобы создать виртуальные 3D-модели образцов птиц. Эти 3D-модели ценны тем, что показывают, как форма тела и морфология животного взаимодействуют с его окраской. Кроме того, они обеспечивают подробные цифровые записи образцов, которые могут быть легко доступны исследователям и общественности и использоваться в различных морфометрических анализах.

Гиперспектральная съемка станет мощным инструментом для изучения камуфляжа, предупреждающей окраски, мимикрии и проявлений ухаживания у птиц и не только. Этот метод идеально подходит для изучения других красочных таксономических групп, таких как бабочки и жуки. В будущем 3D-модели, интегрированные с гиперспектральными данными, можно будет анимировать, чтобы изучить, как движение влияет на дизайн сигналов.

«Мы полагаем, что гиперспектральная съемка в сочетании с 3D-моделированием может стать новым „золотым стандартом“ для многих исследований окраски животных, особенно тех, которые проводятся на основе музейных коллекций», — говорит Стоддард. „Хотя гиперспектральная съемка движущихся животных в полевых условиях остается сложной задачей — как и съемка радужной окраски — этот подход обладает огромным потенциалом“.

Ранее ученые выяснили: чем ярче оперение птицы, тем сильнее ее родительский инстинкт.

10.12.2024