Les animaux présentent une diversité remarquable de couleurs et de motifs, de l’aspect chatoyant de la queue d’un paon aux rosettes distinctives de la fourrure d’un jaguar. Quantifier la couleur des animaux est un objectif de longue date des biologistes évolutionnistes, qui visent à comprendre comment la couleur a évolué au fil du temps et les mécanismes physiques et génétiques impliqués.
En fin de compte, l’étude de la couleur des animaux est importante car elle peut révéler comment les forces évolutives, telles que la sélection naturelle et sexuelle, favorisent certains traits par rapport à d’autres. Cependant, capturer pleinement la couleur des animaux est un défi car les chercheurs doivent choisir entre une résolution spatiale élevée (comme dans la photographie traditionnelle, qui capture les informations dans un nombre limité de canaux de couleur) et une résolution spectrale élevée (comme dans la spectrophotométrie, qui capture un spectre de réflectance à un seul niveau). indiquer).
Des biologistes évolutionnistes de l’Université de Princeton ont récemment utilisé l’imagerie hyperspectrale, un outil de pointe qui mesure des informations spectrales détaillées sur chaque pixel d’une image, pour étudier la couleur du plumage des oiseaux. L’imagerie hyperspectrale fonctionne en séparant le spectre lumineux en une série de bandes étroites, chacune correspondant à une petite plage de longueurs d’onde.
Essentiellement, une image est prise dans chacune de ces bandes étroites, générant une pile d’images (ou un « cube de données ») qui comprend à la fois des informations spatiales et spectrales. Chaque pixel du cube de données contient des informations détaillées sur les longueurs d’onde de la lumière réfléchie.
« L’imagerie hyperspectrale offre le meilleur des deux mondes », a expliqué le Dr Mary Caswell Stoddard, professeur au Département d’écologie et de biologie évolutive et auteur principal de l’étude. « Les chercheurs peuvent capturer des données complètes de réflectance pour un spécimen entier en quelques minutes, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour l’étude de la couleur animale. »
L’imagerie hyperspectrale, souvent utilisée dans des applications agricoles et médicales, a été utilisée dans une poignée d’études sur la couleur des animaux, mais son adoption a généralement été lente. Les données hyperspectrales peuvent être lourdes et les caméras commerciales sont coûteuses et capturent rarement toutes les longueurs d’onde pertinentes pour les animaux.
« Dans notre étude, nous avons développé un nouveau pipeline informatique – une série d’analyses étape par étape – pour montrer comment les chercheurs peuvent obtenir et étudier des données hyperspectrales à partir de spécimens de musée. Nous avons publié toutes les données hyperspectrales que nous avons collectées, ainsi que toutes les données hyperspectrales que nous avons collectées. le code que nous avons développé, pour aider les autres à reproduire et à développer nos méthodes », a déclaré le Dr Ben Hogan, chercheur associé et auteur principal de l’étude.
Hogan et Stoddard ont utilisé une caméra commerciale sensible aux longueurs d’onde allant de 325 à 700 nanomètres, ce qui correspond largement au spectre visible par les oiseaux (généralement 300 à 700 nanomètres), y compris la gamme ultraviolette (300 à 400 nanomètres).
De nombreux oiseaux ont des plumes qui réfléchissent la lumière ultraviolette. « Grâce à l’imagerie hyperspectrale, nous pouvons facilement capturer des images ultraviolettes détaillées, révélant parfois des zones entières de couleur ultraviolette invisibles pour les humains », a déclaré Stoddard.
Pour démontrer la puissance de l’imagerie hyperspectrale dans la recherche sur la couleur animale, Hogan et Stoddard se sont concentrés sur les oiseaux de paradis. Ces oiseaux charismatiques sont originaires de Nouvelle-Guinée et des régions voisines et sont connus pour leur plumage éclatant et leurs parades nuptiales élaborées.
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Le rare oiseau de paradis hybride du roi de Hollande était le principal sujet d’intérêt. Seuls environ 25 spécimens masculins de musée existent dans le monde, dont 12 spécimens sont détenus par le Musée américain d’histoire naturelle (AMNH) à New York. L’hybride, un croisement entre le roi et le magnifique oiseau de paradis, a un plumage qui semble combiner les caractéristiques de ses deux espèces parentales.
En collectant et en analysant des données hyperspectrales de spécimens empruntés à l’AMNH, Hogan et Stoddard ont pu quantifier le degré auquel l’apparence de l’hybride était véritablement intermédiaire, c’est-à-dire un mélange précis de couleurs de son espèce parente.
« Nous avons été surpris de découvrir que pour plusieurs taches de plumage, même celles colorées par des micro et nanostructures très spécifiques, la couleur de l’hybride ressemble vraiment à un mélange de celles des phénotypes parentaux », a déclaré Hogan.
Hogan et Stoddard ont également intégré l’imagerie hyperspectrale à la photogrammétrie, une technique qui assemble des centaines d’images traditionnelles prises sous différents angles, pour produire des modèles virtuels 3D des spécimens d’oiseaux. Ces modèles 3D sont précieux car ils révèlent comment la forme et la morphologie du corps d’un animal interagissent avec sa coloration. Ils fournissent également des enregistrements numériques détaillés de spécimens, facilement accessibles aux chercheurs et au public et utilisés dans diverses analyses morphométriques.
L’imagerie hyperspectrale sera un outil puissant pour étudier le camouflage, la coloration d’avertissement, le mimétisme et les parades nuptiales chez les oiseaux, et au-delà. Cette technique est idéale pour étudier d’autres groupes taxonomiques colorés, tels que les papillons et les coléoptères. À l’avenir, des modèles 3D intégrés à des données hyperspectrales pourraient être animés pour explorer la manière dont le mouvement influence la conception du signal.
« Nous imaginons que l’imagerie hyperspectrale, combinée à la modélisation 3D, pourrait devenir la nouvelle » référence « pour de nombreuses études sur la coloration animale, en particulier celles basées sur les collections de musées », a déclaré Stoddard. « Bien que l’imagerie hyperspectrale d’animaux en mouvement sur le terrain reste un défi, tout comme la capture de couleurs irisées, cette approche présente un potentiel énorme. »
L’étude est publiée dans Biologie PLOS.
Plus d’informations :
Benedict G. Hogan et al, Imagerie hyperspectrale dans la recherche sur la coloration animale : un pipeline convivial pour la génération, l’analyse et l’intégration d’images avec la modélisation 3D, Biologie PLOS (2024). DOI : 10.1371/journal.pbio.3002867