Hyperspektrale Bildgebungstechnik beleuchtet das farbenfrohe Gefieder von Vögeln

Tiere zeigen eine bemerkenswerte Vielfalt an Farben und Mustern, vom schimmernden Aussehen eines Pfauenschwanzes bis zu den markanten Rosetten auf dem Fell eines Jaguars. Die Quantifizierung der Farbe von Tieren ist seit langem ein Ziel von Evolutionsbiologen, die verstehen wollen, wie sich die Farbe im Laufe der Zeit entwickelt hat – und welche physikalischen und genetischen Mechanismen damit verbunden sind.

Letztendlich ist die Untersuchung der Tierfarbe wichtig, da sie Aufschluss darüber geben kann, wie evolutionäre Kräfte wie natürliche und sexuelle Selektion bestimmte Merkmale gegenüber anderen bevorzugen. Die vollständige Erfassung der Tierfarben ist jedoch eine Herausforderung, da Forscher zwischen einer hohen räumlichen Auflösung (wie in der traditionellen Fotografie, die Informationen in einer begrenzten Anzahl von Farbkanälen erfasst) und einer hohen spektralen Auflösung (wie in der Spektrophotometrie, die ein Reflexionsspektrum in einem einzelnen erfasst) wählen müssen Punkt).

Evolutionsbiologen der Princeton University verwendeten kürzlich die Hyperspektralbildgebung, ein hochmodernes Werkzeug, das detaillierte Spektralinformationen an jedem Pixel in einem Bild misst, um die Farbe des Vogelgefieders zu untersuchen. Bei der hyperspektralen Bildgebung wird das Lichtspektrum in eine Reihe schmaler Bänder unterteilt, die jeweils einem kleinen Wellenlängenbereich entsprechen.

Im Wesentlichen wird in jedem dieser schmalen Bänder ein Bild aufgenommen, wodurch ein Bildstapel (oder ein „Datenwürfel“) entsteht, der sowohl räumliche als auch spektrale Informationen enthält. Jedes Pixel im Datenwürfel enthält detaillierte Informationen über die Wellenlängen des reflektierten Lichts.

„Hyperspektrale Bildgebung bietet das Beste aus beiden Welten“, erklärte Dr. Mary Caswell Stoddard, Professorin in der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie und leitende Autorin der Studie. „Forscher können in wenigen Minuten umfassende Reflexionsdaten für eine ganze Probe erfassen, was neue Möglichkeiten für die Untersuchung der Tierfarbe eröffnet.“

Hyperspektrale Bildgebung, die häufig in landwirtschaftlichen und medizinischen Anwendungen eingesetzt wird, wurde in einigen wenigen Studien zur Tierfarbe eingesetzt, die Akzeptanz verlief jedoch im Allgemeinen langsam. Hyperspektrale Daten können unhandlich sein – und kommerzielle Kameras sind teuer und erfassen selten alle für Tiere relevanten Wellenlängen.

„In unserer Studie haben wir eine neue Rechenpipeline entwickelt – eine Reihe von Schritt-für-Schritt-Analysen – um zu zeigen, wie Forscher hyperspektrale Daten von Museumsexemplaren erhalten und untersuchen können. Wir haben alle von uns gesammelten hyperspektralen Daten sowie alle anderen veröffentlicht den Code, den wir entwickelt haben, um anderen dabei zu helfen, unsere Methoden zu replizieren und weiterzuentwickeln“, sagte Dr. Ben Hogan, Associate Research Scholar und Hauptautor der Studie.

Hogan und Stoddard verwendeten eine kommerzielle Kamera, die auf Wellenlängen im Bereich von 325 bis 700 Nanometern reagiert, was weitgehend dem für Vögel sichtbaren Spektrum (typischerweise 300 bis 700 Nanometer) einschließlich des ultravioletten Bereichs (300 bis 400 Nanometer) entspricht.

Viele Vögel haben Federn, die ultraviolettes Licht reflektieren. „Mithilfe der hyperspektralen Bildgebung können wir problemlos detaillierte Ultraviolettbilder aufnehmen und manchmal ganze Flecken ultravioletter Farbe sichtbar machen, die für den Menschen unsichtbar sind“, sagte Stoddard.

Um die Leistungsfähigkeit der hyperspektralen Bildgebung in der Tierfarbenforschung zu demonstrieren, konzentrierten sich Hogan und Stoddard auf die Paradiesvögel. Diese charismatischen Vögel stammen aus Neuguinea und den umliegenden Regionen und sind für ihr farbenfrohes Gefieder und ihre aufwändigen Balzkünste bekannt.

Der seltene hybride Paradiesvogel des Königs von Holland war das Hauptthema des Interesses. Weltweit sind nur etwa 25 männliche Museumsexemplare bekannt, wobei 12 Exemplare im American Museum of Natural History (AMNH) in New York City aufbewahrt werden. Der Hybrid, eine Kreuzung zwischen dem Königsvogel und dem Prächtigen Paradiesvogel, hat ein Gefieder, das die Merkmale seiner beiden Elternarten zu vereinen scheint.

Durch das Sammeln und Analysieren hyperspektraler Daten von vom AMNH ausgeliehenen Exemplaren konnten Hogan und Stoddard quantifizieren, inwieweit das Erscheinungsbild des Hybriden wirklich mittelmäßig war – das heißt, eine präzise Mischung der Farben seiner Elternart.

„Wir waren überrascht, als wir herausfanden, dass die Farbe des Hybrids bei mehreren Gefiederflecken – sogar solchen, die durch sehr spezifische Mikro- und Nanostrukturen gefärbt sind – tatsächlich einer Mischung aus denen der Elternphänotypen ähnelt“, sagte Hogan.

Hogan und Stoddard kombinierten außerdem hyperspektrale Bildgebung mit Photogrammetrie, einer Technik, die Hunderte traditioneller Bilder aus verschiedenen Winkeln zusammenfügt, um virtuelle 3D-Modelle der Vogelexemplare zu erstellen. Diese 3D-Modelle sind wertvoll, weil sie zeigen, wie die Körperform und Morphologie eines Tieres mit seiner Färbung zusammenwirkt. Sie liefern außerdem detaillierte digitale Aufzeichnungen von Proben, die für Forscher und die Öffentlichkeit leicht zugänglich sind – und die für eine Vielzahl morphometrischer Analysen verwendet werden können.

Hyperspektrale Bildgebung wird ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung von Tarnung, Warnfärbung, Mimikry und Balzverhalten bei Vögeln und darüber hinaus sein. Die Technik eignet sich ideal für die Untersuchung anderer farbenfroher taxonomischer Gruppen wie Schmetterlinge und Käfer. In Zukunft könnten 3D-Modelle, die mit hyperspektralen Daten integriert sind, animiert werden, um zu untersuchen, wie Bewegung das Signaldesign beeinflusst.

„Wir gehen davon aus, dass hyperspektrale Bildgebung in Kombination mit 3D-Modellierung zum neuen ‚Goldstandard‘ für viele Studien zur Tierfärbung werden könnte, insbesondere für solche aus Museumssammlungen“, sagte Stoddard. „Obwohl die hyperspektrale Bildgebung von sich bewegenden Tieren im Feld – ebenso wie die Erfassung schillernder Farben – eine Herausforderung bleibt, hat der Ansatz ein enormes Potenzial.“

Die Studie ist veröffentlicht in PLOS-Biologie.