Naukowy piątek

Ta historia jest częścią naszej letniej rozmowy Klubu Książki o książce Jennifer Ackerman 'Geniusz ptaków.' Chcesz wziąć udział? Zapisz się do naszego newslettera lub prześlij nam swoje przemyślenia za pomocą aplikacji SciFri VoxPop.

Na pierwszy rzut oka, upierzenie garbusa berylowego może wydawać się subtelnie bladoniebieskie. Ale patrząc pod innym kątem, ten południowoamerykański ptak śpiewający mieni się elektrycznym turkusem z odcieniami złota. To zmieniające kolor zjawisko znane jest jako iryzacja.

„Widziałem wiele naprawdę pięknych ptaków na pięknych zdjęciach, ale zdałem sobie sprawę, że robiąc zdjęcia pomijasz to naprawdę bardzo dziwne zjawisko”, mówi Joshua Medina, artysta 3D i specjalizujący się w digitalizacji w Moore Lab of Zoology w Occidental College w Los Angeles. „I to jest coś, co można odtworzyć tylko w trójwymiarowym modelu”.

Laboratorium Moore’a jest skarbnicą ponad 65 000 okazów ptaków zebranych głównie w Meksyku i Ameryce Południowej w latach 1933-1955. Jako artysta techniczny, Medina opracowuje modele 3D, aby ludzie mogli zobaczyć kolory, wzory i skomplikowane wskazówki wizualne w upierzeniu ptaków, które mogą być trudne do zwizualizowania w badaniach.

„To tak jakby mieć okaz tuż przed sobą”, mówi John McCormack, dyrektor i kurator ptaków i ssaków w Moore Lab. „Możesz podejść z bliska i zobaczyć ptaka nawet bardziej szczegółowo niż gdybyś patrzył na niego gołym okiem”.

Medina wykorzystuje technikę 3D zwaną fotogrametrią. Jego początkowe ustawienia jako studenta były w akademiku, przy użyciu stołu obrotowego z wypchanym okazem ptaka i kilku lamp biurkowych. („Ludzie wchodzący do środka musieli myśleć, że wygląda to bardzo niesamowicie.”) Ręcznie „DJ-ując” stół, robił setki zdjęć cyfrowych pod różnymi kątami, gdy ptak się obracał. Od tego czasu porzucił didżejowanie i pokój w akademiku, przechodząc na w pełni zautomatyzowany gramofon, który obraca ptaka za każdym kliknięciem aparatu. Pojedynczy model może składać się nawet z 288 zdjęć z trzech różnych kątów, przetwarzanych przez domowej roboty programy open-source.

„To dość szalone”, mówi McCormack. „Możesz wziąć ten model 3D i w zasadzie rozpakować go i spłaszczyć do kwadratu, który zawiera każdy pojedynczy element wielkości piksela na całym modelu”. Naukowiec mógłby wtedy wyodrębnić i przeanalizować każdy pojedynczy kolor znaleziony na okazie ptaka, co mogłoby być pomocne w śledzeniu ewolucji kolorów upierzenia u różnych gatunków ptaków.

Ptaki mają kolory z wielu różnych powodów. Rudawe, cętkowane brązowe upierzenie może kamuflować ptaka przed drapieżnikami, podczas gdy jaśniejsze kolorowe upierzenie może pomóc ptakom ochłodzić się. Flamboyant kolory jak opalizujące upierzenie na gardle kolibrów może być efektowna reklama dla kolegów.

„Są to czasami bardzo skomplikowane wyświetlacze z wszelkiego rodzaju kolorów i wzorów, że kobieta ptak zazwyczaj jest widząc i przetwarzania i podejmowania decyzji o kryciu,” mówi McCormack. „To wkracza w ptasią inteligencję.”

Wizja jest najważniejszym zmysłem ptaków, wyjaśnia McCormack, i aby przetwarzać duże ilości informacji wizualnych, ptaki mają duże płaty optyczne.

„Mniej więcej 20 lat temu stało się całkiem dobrze znane, że ptaki widzą inaczej niż my” – mówi Allison Shultz, asystentka kuratora ornitologii w Muzeum Historii Naturalnej Hrabstwa Los Angeles, obecnie badająca upierzenie tanatarów. „Mają one w porównaniu z nami rodzaj wzmocnionego widzenia”.

Aby przetwarzać kolory, ludzie mają trzy rodzaje czopków w swoich oczach, wyjaśnia Shultz, lub fotoreceptory, które są wrażliwe na czerwony, zielony i niebieski. Ale ptaki mają cztery czopki – czwarty czopek rozszerza ich wzrok poza nasze spektrum wizualne. Podczas gdy ludzie widzą kolory o długości fali od 400 do 700 nanometrów, ptaki zanurzają się w części widma ultrafioletowego, widząc fale o długości od 300 do 700 nanometrów.

„Ptaki mogą widzieć niektóre kolory ultrafioletowe, których nawet nie potrafimy opisać”, mówi McCormack. „Nawet nie wiemy, jakie to kolory. Nie mamy na nie słów, bo nigdy ich nie zobaczymy, ale ptaki je widzą.”

Nie dość, że ptaki mają więcej typów czopków niż ludzie, to jeszcze ich komórki stożkowe są precyzyjnymi filtrami kolorów. Każdy z nich ma małe kropelki oleju, które ograniczają ilość światła, które trafia w każdy pojedynczy stożek, co pozwala ptakom odróżnić różnice między podobnymi kolorami, które są niezauważalne dla ludzkiego oka, mówi Shultz.

Tanagery, rodzina gatunków, które żyją w całej Ameryce Środkowej i Południowej, na przykład, obejmują prawie całe spektrum kolorów widzianych u ptaków, mówi Shultz. Naukowcy początkowo sądzili, że 50% z około 370 gatunków jest dichromatycznych, gdzie samce i samice mają różne kolory upierzenia. Jednak, gdy Shultz i jej kolega Kevin Burns zmierzyli kolory z modelu widzenia ptaków, oszacowali, że tanatary są w rzeczywistości w 93% dichromatyczne.

„Jest wiele wariantów, których brakuje nam w naszych oczach” – mówi Shultz.

Shultz i McCormack opracowują sposoby, dzięki którym badacze będą mogli zobaczyć to, co widzą ptaki. Obecne techniki wymagają spektrofotometru odbiciowego, urządzenia, które wykorzystuje sondę światłowodową wysyłającą impulsy światła ksenonowego – światła, które obejmuje całe spektrum – na obiekt. Światło, które jest odbijane z powrotem mówi naukowcom, jakie kolory są obecne w upierzeniu ptaka, w tym cechy ptaka widoczne tylko w spektrum ultrafioletowym. „Spektrofotometria odbiciowa jest świetna. Możemy następnie zastosować model ptasiej wizji do tych danych, ale tak naprawdę są to punkty na ptaku,” mówi Shultz – ale punktowa precyzja przechwytywania sondy pomija większe plamy wzorów.

Dlatego Shultz, McCormack i Medina pracują nad skonfigurowaniem kamery UV. „Możliwość wykorzystania techniki Laboratorium Moore’a z kamerą UV, jak również z aparatem cyfrowym, aby dać nam poczucie wzoru ptaka w przestrzeni 3D będzie naprawdę ważne,” mówi Shultz.

Obecnie wszystkie okazy z Moore Lab są skatalogowane online, ale tylko kilka z nich jest sfotografowanych, a niektóre cenne gatunki nie mogą być usunięte z laboratorium. Zespół usprawnia proces digitalizacji całej kolekcji w 3D, dzięki czemu badacze na całym świecie będą mogli uzyskać dostęp do okazów ptaków i wejść z nimi w interakcję. Ludzie będą mogli nie tylko dokładnie analizować kolory, ale także badać teksturę, przezroczystość i powierzchnie odbijające światło, mówi Medina.

„Interesujące jest to, że każda z tych warstw jest najczęściej przedstawiana jako dane w nauce i digitalizacji,” mówi. „Ale myślę, że kiedy wizualizujesz te dane, stają się one czymś, co jest o wiele bardziej namacalnie artystyczne i interesujące.”

Szczególne podziękowania dla Joshuy Mediny i Laboratorium Moore’a za udostępnienie i wygenerowanie dodatkowych wizualizacji 3D. Odkryj więcej modeli 3D ptaków z kolekcji Laboratorium Moore’a na Sketchfab Mediny.