食物鏈底層的橈足類動(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。目前擁有來自100多個(gè)國(guó)家的超過25000人在此學(xué)習(xí)、研究。

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

橈足類這種小型甲殼動(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。地球上橈足類動(dòng)物的數(shù)量遠(yuǎn)超過海洋浮游動(dòng)物的數(shù)量，已經(jīng)成為了食物鏈中小型魚類、小甲殼類生物的主要食物來源。

▲顯微鏡下三只生機(jī)勃勃的橈足類“獨(dú)眼巨人”。

正因?yàn)闃镒泐悇?dòng)物在食物鏈中扮演著如此重要的底層角色，研究它們的生態(tài)學(xué)，對(duì)于研究自然環(huán)境的保護(hù)和演化才具有重要意義。

橈足類動(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(dú)立自主的自行游動(dòng)，并表現(xiàn)出生物的各種復(fù)雜行為。運(yùn)動(dòng)讓它們可以獵食、躲避捕食者或其他危險(xiǎn)、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、同類或捕食者釋放的化學(xué)信號(hào)、浮游植物滲出液、光照強(qiáng)度或水性污染物等。因此，如何對(duì)不同環(huán)境條件下的橈足類行為進(jìn)行準(zhǔn)確的生態(tài)預(yù)測(cè)和種群動(dòng)態(tài)模擬，成為了研究的重點(diǎn)方向。

為橈足類拍攝3D電影

在環(huán)境工程研究所Michalec博士的幫助下，研究團(tuán)隊(duì)建立了一套高速3D-PTV視覺系統(tǒng)。使用四臺(tái)德國(guó)Mikrotron EoSens^? CL高速相機(jī)，用以拍攝以及重建橈足類三維粒子跟蹤測(cè)速軌跡，英文簡(jiǎn)稱3D-PTV。

用于觀測(cè)的PTV系統(tǒng)，需要長(zhǎng)時(shí)間記錄橈足類動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，并能夠慢動(dòng)作回放，因此對(duì)相機(jī)的幀頻要求較高。研究團(tuán)隊(duì)所使用的PTV系統(tǒng)，由四臺(tái)經(jīng)過校準(zhǔn)的Mikrotron黑白EoSens^? CameraLink接口相機(jī)組成， 它們使用四個(gè)經(jīng)過計(jì)算的視角，可以同步捕捉和記錄橈足類動(dòng)物在大約2升水中的自由運(yùn)動(dòng)影像。

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

“在1280×1024分辨率下，相機(jī)可以達(dá)到506fps，操作界面簡(jiǎn)單易用，表現(xiàn)的非常棒，”Michalec博士對(duì)相機(jī)性能一直贊不絕口。

由四臺(tái)相機(jī)捕捉到的圖像，被傳輸?shù)接啥鄠€(gè)硬盤陣列組成的大型存儲(chǔ)系統(tǒng)中。拍攝獲取到了大量的橈足類運(yùn)動(dòng)軌跡，可以確?？煽康亟y(tǒng)計(jì)分析。

▲四臺(tái)高速相機(jī)拍攝角度略有差異，構(gòu)成的視覺差可以在軟件的分析下進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)軌跡重建。

▲相機(jī)們的正面照。

通過蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)自主開發(fā)的軟件，對(duì)獲取到的圖像進(jìn)行分析，并且在數(shù)字空間中重建了橈足類的運(yùn)動(dòng)軌跡。由此，Michalec博士的研究團(tuán)隊(duì)便能夠得到速度、加速度，以及其他復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模型。

與控制值的比較量化了行為改變的程度。例如，測(cè)量結(jié)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(xiàng)研究甚至可以捕捉到痕量污染物對(duì)細(xì)微生態(tài)損害的過程信息。而傳統(tǒng)的河口生物死亡率測(cè)試，僅能夠簡(jiǎn)單粗暴判斷污染物的致死量。

高速成像和長(zhǎng)時(shí)間記錄存儲(chǔ)的有益結(jié)合

研究團(tuán)隊(duì)之前設(shè)想的是僅使用兩臺(tái)相機(jī)，以較低幀速即可搭建需要的3D-PTV平臺(tái)。但是橈足類動(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(yùn)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(jí)版的3D-PTV平臺(tái)使用四臺(tái)高速相機(jī)，幀頻高達(dá)506fps，能有效的捕捉到橈足類動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。同時(shí)還大大減少了粒子檢測(cè)和跟蹤效率，減少了在立體重建中出現(xiàn)的誤差和歧義。整臺(tái)系統(tǒng)目前已經(jīng)可以同時(shí)追蹤數(shù)百只橈足類同時(shí)游動(dòng)。

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

▲四臺(tái)Mikrotron EoSens^? CL相機(jī)拍攝的不同角度的影像。每臺(tái)相機(jī)都在5分鐘內(nèi)拍攝了30000幀圖片。

脆弱的橈足類

在3D-PTV平臺(tái)中，流動(dòng)的橈足類動(dòng)物很小，拍攝的光照是通過激光在可見光范圍內(nèi)提供的，但是橈足類對(duì)可見光非常敏感，需要在非常低的強(qiáng)度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，才能在拍攝的照明需要以及橈足類動(dòng)物演員的性命間做出平衡。

因此，研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(jī)擁有非常高的靈敏度，即使在高速曝光的過程中，依然可以獲得橈足類的清晰成像。

幀速也是非常關(guān)鍵的問題，100fps的幀頻并不能完全記錄下橈足類的加速度運(yùn)動(dòng)，并且還要考慮有限的帶寬和存儲(chǔ)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?cè)黾恿藘膳_(tái)相機(jī)，剛好能夠解決部分太嗨的橈足動(dòng)物加速運(yùn)動(dòng)的問題，”Michalec博士說道。

▲德國(guó)Mikrotron EoSens^? CL相機(jī)黑白版本無濾光片的QE曲線。其對(duì)于700nm的近紅外波段響應(yīng)非常好。