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Apr 30, 2023

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Communications Biology volume

Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 1318 (2022) Citare questo articolo

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Presentiamo un sistema di imaging economico con hardware e software integrati per acquisire immagini multispettrali di lepidotteri con alta efficienza. Questo metodo facilita il confronto di colori e forme tra le specie su scale tassonomiche fini e ampie e può essere adattato per altri ordini di insetti con maggiore tridimensionalità. Il nostro sistema può visualizzare sia il lato dorsale che quello ventrale dei campioni appuntati. Insieme alla nostra pipeline di elaborazione, i dati descrittivi possono essere utilizzati per studiare sistematicamente colori e forme multispettrali basati sulla ricostruzione dell'ala intera e su una pianta universalmente applicabile che quantifica oggettivamente i modelli di ali per specie con diverse forme di ali (comprese le code) e sistemi di venatura. Le misurazioni morfologiche di base, come la lunghezza del corpo, la larghezza del torace e le dimensioni dell'antenna, vengono generate automaticamente. Questo sistema può aumentare in modo esponenziale la quantità e la qualità dei dati sui tratti estratti dagli esemplari museali.

Le nanostrutture nelle cuticole degli insetti hanno ispirato molti nuovi progetti ingegneristici1,2,3,4,5. Poiché è noto che gli insetti sono in grado di percepire lunghezze d’onda oltre lo spettro visibile, è possibile che si perdano dati importanti a meno che i sistemi di imaging utilizzati per rilevare le cuticole degli insetti non siano in grado di rilevare una gamma completa di lunghezze d’onda elettromagnetiche potenzialmente rilevanti. Gli studi attuali sul colore e sulla forma delle ali dei lepidotteri (farfalle e falene) (che in questo articolo usiamo come abbreviazione per la riflettanza, agnostico di qualsiasi sistema visivo) e sulla forma sono spesso limitati a meno di 100 esemplari3,6 a causa di un singolo esemplare che richiede molto tempo. procedure basate7,8,9 come la necessità di staccare le ali dai campioni2,4,10 o di disporre e visualizzare i singoli campioni con le relative etichette. Anche progettare sistemi che tengano conto della diversità della forma delle ali9,11 ha rappresentato una sfida seria.

I lepidotteri forniscono un bersaglio ideale per l'imaging poiché la natura bidimensionale degli esemplari appuntati della maggior parte delle farfalle e di molte falene li rende più trattabili per l'analisi. Sono necessari metodi adeguati in grado di elaborare le immagini multispettrali dei lepidotteri in modo obiettivo, sistematico ed efficiente. Le sfide principali sono duplici: (1) sviluppo di un sistema di imaging ad alto rendimento e (2) identificazione di una pianta o di un archetipo universalmente applicabile che possa essere generalizzato per catturare le caratteristiche delle ali attraverso le famiglie.

Convenzionalmente, le proprietà multispettrali della superficie di un oggetto possono essere misurate in due modi12,13,14,15. Uno spettrofotometro iperspettrale fornisce un'elevata risoluzione spettrale (~ 0,1 nm) per un singolo punto, mentre l'imaging multispettrale può creare rapidamente immagini bidimensionali con un'elevata risoluzione spaziale ad un certo costo per la risoluzione spettrale dividendo lo spettro in più bande di lunghezza d'onda di ~ 100-200 nm ciascuno (di seguito denominate "bande") e effettuando misurazioni simili a fotografie su una vasta area utilizzando una fotocamera. Alcuni sistemi di imaging all'avanguardia hanno una risoluzione spettrale 10-20 volte più fine (~ 5-10 nm), ma costano 70 volte di più dei nostri apparecchi (~ $ 350.000). Nel telerilevamento, i satelliti utilizzano l'imaging multispettrale per raccogliere dati in modo efficiente in vaste aree del mondo (ad esempio, radiometro avanzato ad altissima risoluzione [AVHRR] e spettroradiometro per immagini a risoluzione moderata [MODIS]). Allo stesso modo, le fotocamere multispettrali commerciali possono fornire misurazioni multispettrali oggettive su superfici bidimensionali, ma quelle dotate di elevata risoluzione spaziale sono proibitivamente costose per la maggior parte dei singoli laboratori o collezioni museali e hanno un’efficienza di imaging relativamente lenta, complicandone l’uso nell’imaging di campioni ad alto rendimento. Abbiamo quindi sviluppato un sistema di imaging scalabile e ad alta produttività basato su una fotocamera DSLR consumer modificata che può ospitare un cassetto per campioni museali in stile Cornell (450 × 390 × 67 mm) ed è in grado di raccogliere dati multispettrali da un gran numero di campioni biologici contemporaneamente .