Как да виждам като птица

Тази история е част от нашия летен разговор в Book Club за книгата на Дженифър Акерман „Геният на птиците“. Искате ли да участвате? Абонирайте се за нашия бюлетин или ни изпратете вашите мисли за Приложение MolecularConceptor VoxPop.

На пръв поглед оперението на украсения с берил танагер може да изглежда леко бледосиньо. Но погледната под различен ъгъл, южноамериканската пойна птица блести в електрически тюркоаз със златни отблясъци. Това явление на трансформиране на цвета е известно като иридесценция.

„Виждал съм много наистина красиви птици в красиви изображения, но разбрах, че като правите снимки, пропускате този наистина много зловещ феномен“, казва Джошуа Медина , 3D художник и специалист по дигитализация в Лаборатория по зоология на Мур в Occidental College в Лос Анджелис. „И това е нещо, което можете да възпроизведете само в триизмерен модел.“

Лабораторията на Мур е съкровище от повече от 65 000 екземпляра птици, събрани предимно в Мексико и Южна Америка от 1933 до 1955 г. Като технически художник Медина разработва 3D модели, така че хората да могат да видят цветовете, шарките и сложните визуални знаци в оперението на птиците, което може да бъде трудно да се визуализира за изследване.

„Все едно да имаш екземпляра точно пред теб“, казва Джон Маккормак , директор и куратор на птици и бозайници в Moore Lab. „Можете да се приближите и да видите птицата дори по-подробно, отколкото ако я гледате с просто око.“

Moore Lab Tanagers (и гост, портокалов папагал) създадено от Джошуа Медина и лабораторията Мур На Sketchfab .

Medina използва 3D техника, наречена фотограметрия. Първоначалната му настройка като студент беше в общежитието му, използвайки грамофон с екземпляр от препарирана птица и няколко настолни лампи. („Хората, които влизаха, трябва да са си помислили, че изглежда много зловещо.“) Ръчно „диджействайки“ на масата, той правеше стотици цифрови снимки от различни ъгли, докато птицата се въртеше. Оттогава той се отказа от диджеите и стаята в общежитието и премина към напълно автоматизиран грамофон, който върти птицата с всяко щракване на камерата. Един модел може да се състои от до 288 снимки от три различни ъгъла, обработени от домашно създадени програми с отворен код.

„Доста е диво“, казва Маккормак. „Можете да вземете този 3D модел и можете по същество да го разархивирате и да го изравните в квадрат, който основно включва всяко отделно парче с размер на пиксел от целия модел.“ След това изследовател може да извлече и анализира всеки отделен цвят, открит върху екземпляр от птица, което може да бъде полезно при проследяване на еволюцията на цветовете на оперението при различни видове птици.

Мостри от различни сканирани видове танагри, които Moore Lab използва за анализ на цвета на оперението. Отляво надясно (щракнете за висока разделителна способност): украсен с берил танагер , петнист танагер , златистокачулат танагер . кредит: Джошуа Медина / Лабораторията Мур

Птиците имат цветове по много различни причини. Червеното, петнисто кафяво оперение може да прикрие птицата от хищници, докато по-светлото оперение може да помогне за охлаждането на птиците. Ярки цветове като преливащо се оперение на гърлата на колибри може да са ефектна реклама за партньори.

„Това понякога са невероятно сложни дисплеи с всякакви цветове и шарки, които женската птица обикновено вижда и обработва и взема решения за чифтосване“, казва Маккормак. „Това влиза в птичия интелект.“

Зрението е най-важното сетиво на птиците, обяснява Маккормак, и за да обработват големи количества визуална информация, птиците имат големи оптични лобове.

Различни видове овесарки от род Passerina, показващи както цветни мъжки, така и кафяви женски в колекцията от птици на Moore Lab. кредит: Джон МакКормак/Лабораторията Мур

„Само преди около 20 години стана доста добре известно, че птиците виждат по различен начин от нас“, казва Алисън Шулц , асистент куратор по орнитология в Природонаучния музей на окръг Лос Анджелис, който в момента изучава оперението на танагерите. „Те имат нещо като подобрена визия в сравнение с нас.“

За да обработват цветовете, хората имат три вида шишарки в очите си, обяснява Шулц, или фоторецептори, които са чувствителни към червено, зелено и синьо. Но птиците имат четири конуса - четвъртият конус разширява зрението им извън нашия зрителен спектър. Докато хората виждат цветове с дължина на вълната от 400 до 700 нанометра, птиците се потапят в част от ултравиолетовия спектър, виждайки 300 до 700 нанометра.

„Птиците могат да видят някои ултравиолетови цветове, които дори не можем да опишем“, казва Маккормак. „Дори не знаем какви са тези цветове. Нямаме думи за тях, защото никога няма да ги видим, но птиците ги виждат.

Различни видове танагри, пойни птици от Централна и Южна Америка, съхранявани в лабораторията Мур. кредит: Джон МакКормак/Лабораторията Мур

Не само, че птиците имат повече видове шишарки от хората, но техните конусовидни клетки са прецизни цветни филтри. Всеки от тях има малки маслени капчици, които ограничават количеството светлина, което удря всеки отделен конус, което позволява на птиците да различават разликите между подобни цветове, които остават незабелязани от човешкото око, казва Шулц.

Tanagers, семейство видове, които живеят в Централна и Южна Америка, например, обхващат почти целия цветови спектър, наблюдаван при птиците, казва Шулц. Изследователите първоначално смятаха, че 50% от приблизително 370 вида са двуцветни, където мъжките и женските имат различни цветове на оперението. Въпреки това, когато Шулц и нейният колега Кевин Бърнс измериха цветовете от модел на птиче зрение, те изчислено, че танагерите всъщност са 93% двуцветни .

„Има много вариации, които ни липсват с очите ни“, казва Шулц.

Шулц и Маккормак измислят начини изследователите да могат да видят това, което виждат птиците. Настоящите техники изискват спектрофотометър за отразяване, устройство, което използва фиброоптична сонда, която изпраща импулси от ксенонова светлина - светлина, която обхваща целия спектър - върху обект. Светлината, която се отразява обратно, казва на изследователите какви цветове присъстват в оперението на птицата, включително характеристики на птицата, видими само в ултравиолетовия спектър . „Отражателната спектрофотометрия е страхотна. След това можем да приложим модела на зрението на птиците към тези данни, но това наистина са точки върху птица“, казва Шулц, но точковото прецизно улавяне на сондата пропуска по-големи петна от модели.

Ето защо Shultz, McCormack и Medina работят върху създаването на UV камера. „Възможността да използваме техниката на Moore Lab с UV камера, както и с цифрова камера, за да ни даде усещане за шарка на птица в 3D пространство, ще бъде наистина важна“, казва Шулц.

Медина вече изгражда свой собствен софтуер за лабораторията и конструира версия с отворен код на 3D фотограметричен процес така че всеки да може да използва техниките. Чекмедже на кутия с образци в лабораторията на Мур създадено от Джошуа Медина и лабораторията Мур На Sketchfab .

В момента всички екземпляри от Moore Lab са каталогизирани онлайн , но само няколко са снимани и някои ценни видове не могат да бъдат извадени от лабораторията. Екипът рационализира процеса за дигитализиране на цялата колекция в 3D, така че изследователи от цял ​​свят да имат достъп и да взаимодействат с екземпляри от птици. Хората не само ще могат да анализират отблизо цвета, но ще могат да изследват текстурата, прозрачността и отразяващите повърхности, казва Медина.

„Интересното е, че всеки един от тези слоеве най-често се представя само като данни в науката и в цифровизацията“, казва той. „Но мисля, че когато визуализирате тези данни, те стават нещо, което е много по-осезаемо артистично и интересно.“

Специални благодарности на Joshua Medina и Moore Lab за споделянето и генерирането на допълнителни 3D визуализации. Разгледайте още 3D модели на птици от колекциите на Moore Lab Sketchfab на Медина .

Дарете за науката петък

Инвестирайте в качествена научна журналистика, като направите дарение на Science Friday.