食物鏈底層的橈足類(lèi)動(dòng)物

成立于1885年的蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)，世界上最較好的自然科學(xué)大學(xué)之一。目前擁有來(lái)自100多個(gè)國家的超過(guò)25000人在此學(xué)習、研究。

在環(huán)境工程學(xué)院的環(huán)境流體力學(xué)研究組，Fran?ois-Ga?l Michalec博士以及Markus Holzner教授共同研究的重點(diǎn)，就是橈足類(lèi)游泳行為與理化環(huán)境的分析。

橈足類(lèi)這種小型甲殼動(dòng)物居住在幾乎所有的水生環(huán)境中，從熱液噴口到極地海洋。地球上橈足類(lèi)動(dòng)物的數量遠超過(guò)海洋浮游動(dòng)物的數量，已經(jīng)成為了食物鏈中小型魚(yú)類(lèi)、小甲殼類(lèi)生物的主要食物來(lái)源。

▲顯微鏡下三只生機勃勃的橈足類(lèi)“獨眼巨人”。

正因為橈足類(lèi)動(dòng)物在食物鏈中扮演著(zhù)如此重要的底層角色，研究它們的生態(tài)學(xué)，對于研究自然環(huán)境的保護和演化才具有重要意義。

橈足類(lèi)動(dòng)物尺寸小，它們的游泳能力有限，通常只能沿河流、洋流漂泊而生。但是在小范圍的靜水中，它們可以獨立自主的自行游動(dòng)，并表現出生物的各種復雜行為。運動(dòng)讓它們可以獵食、躲避捕食者或其他危險、尋找伴侶，而這些行為都會(huì )影響水中其他水生物群落的形態(tài)。

影響橈足類(lèi)動(dòng)物行為的環(huán)境因素包括非常多的自然因素或人為因素。包括鹽度、同類(lèi)或捕食者釋放的化學(xué)信號、浮游植物滲出液、光照強度或水性污染物等。因此，如何對不同環(huán)境條件下的橈足類(lèi)行為進(jìn)行準確的生態(tài)預測和種群動(dòng)態(tài)模擬，成為了研究的重點(diǎn)方向。

為橈足類(lèi)拍攝3D電影

在環(huán)境工程研究所Michalec博士的幫助下，研究團隊建立了一套高速3D-PTV視覺(jué)系統。使用四臺德國Mikrotron EoSens^? CL高速相機，用以拍攝以及重建橈足類(lèi)三維粒子跟蹤測速軌跡，英文簡(jiǎn)稱(chēng)3D-PTV。

用于觀(guān)測的PTV系統，需要長(cháng)時(shí)間記錄橈足類(lèi)動(dòng)物的運動(dòng)，并能夠慢動(dòng)作回放，因此對相機的幀頻要求較高。研究團隊所使用的PTV系統，由四臺經(jīng)過(guò)校準的Mikrotron黑白EoSens^? CameraLink接口相機組成， 它們使用四個(gè)經(jīng)過(guò)計算的視角，可以同步捕捉和記錄橈足類(lèi)動(dòng)物在大約2升水中的自由運動(dòng)影像。

▲整個(gè)3D-PTV系統就是這樣的。四臺相機，拍攝“玻璃水箱舞臺”中的橈足動(dòng)物演員。水箱中配有光源，以及可控的水流運動(dòng)裝置。

“在1280×1024分辨率下，相機可以達到506fps，操作界面簡(jiǎn)單易用，表現的非常棒，”Michalec博士對相機性能一直贊不絕口。

由四臺相機捕捉到的圖像，被傳輸到由多個(gè)硬盤(pán)陣列組成的大型存儲系統中。拍攝獲取到了大量的橈足類(lèi)運動(dòng)軌跡，可以確?？煽康亟y計分析。

▲四臺高速相機拍攝角度略有差異，構成的視覺(jué)差可以在軟件的分析下進(jìn)行三維運動(dòng)軌跡重建。

▲相機們的正面照。

通過(guò)蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的軟件，對獲取到的圖像進(jìn)行分析，并且在數字空間中重建了橈足類(lèi)的運動(dòng)軌跡。由此，Michalec博士的研究團隊便能夠得到速度、加速度，以及其他復雜的運動(dòng)模型。

與控制值的比較量化了行為改變的程度。例如，測量結果表明，生活在河流中的物種可以被亞致死的毒物污染濃度所影響，該項研究甚至可以捕捉到痕量污染物對細微生態(tài)損害的過(guò)程信息。而傳統的河口生物死亡率測試，僅能夠簡(jiǎn)單粗暴判斷污染物的致死量。

高速成像和長(cháng)時(shí)間記錄存儲的有益結合

研究團隊之前設想的是僅使用兩臺相機，以較低幀速即可搭建需要的3D-PTV平臺。但是橈足類(lèi)動(dòng)物可以在局部的干擾下，突然加速動(dòng)作或者跳躍，抑或突然的減速或停止運動(dòng)。因此原有方案并不能夠完全捕捉間歇的動(dòng)物行為。

升級版的3D-PTV平臺使用四臺高速相機，幀頻高達506fps，能有效的捕捉到橈足類(lèi)動(dòng)物的運動(dòng)細節。同時(shí)還大大減少了粒子檢測和跟蹤效率，減少了在立體重建中出現的誤差和歧義。整臺系統目前已經(jīng)可以同時(shí)追蹤數百只橈足類(lèi)同時(shí)游動(dòng)。

▲使用1280×1024分辨率，100fps幀速記錄下的橈足類(lèi)動(dòng)物運動(dòng)，黑色背景下的小白點(diǎn)即是。

▲四臺Mikrotron EoSens^? CL相機拍攝的不同角度的影像。每臺相機都在5分鐘內拍攝了30000幀圖片。

脆弱的橈足類(lèi)

在3D-PTV平臺中，流動(dòng)的橈足類(lèi)動(dòng)物很小，拍攝的光照是通過(guò)激光在可見(jiàn)光范圍內提供的，但是橈足類(lèi)對可見(jiàn)光非常敏感，需要在非常低的強度下進(jìn)行實(shí)驗，才能在拍攝的照明需要以及橈足類(lèi)動(dòng)物演員的性命間做出平衡。

因此，研究團隊利用了近紅外光源進(jìn)行照明。EoSens^?的芯片可以提供近紅外波段的高量子效率，盡管光照強度低，但依然可以得到大景深的銳利圖像。

盡管光照條件非常低，但Mikrotron EoSens^? CL相機擁有非常高的靈敏度，即使在高速曝光的過(guò)程中，依然可以獲得橈足類(lèi)的清晰成像。

幀速也是非常關(guān)鍵的問(wèn)題，100fps的幀頻并不能完全記錄下橈足類(lèi)的加速度運動(dòng)，并且還要考慮有限的帶寬和存儲空間限制。

“100fps幀頻下我們可以記錄一個(gè)小時(shí)，但在500fps的幀頻下，我們只能記錄大概10分鐘。于是我們增加了兩臺相機，剛好能夠解決部分太嗨的橈足動(dòng)物加速運動(dòng)的問(wèn)題，”Michalec博士說(shuō)道。

▲德國Mikrotron EoSens^? CL相機黑白版本無(wú)濾光片的QE曲線(xiàn)。其對于700nm的近紅外波段響應非常好。