فناوری که طیف نور منعکس‌شده از بال حشرات را در لحظه رمزگشایی می‌کند!

به گزارش مجله خبری نگار،حشرات متنوع‌ترین گروه جانوری روی کره زمین هستند که روابط پیچیده‌ای را با محیط خود حفظ می‌کنند و نقش‌های حیاتی مانند تجزیه مواد آلی و گرده‌افشانی را بر عهده دارند. بحران روبه‌رشد تنوع زیستی با بررسی کردن تعداد حشرات آشکار می‌شود و کاهش یافتن آن‌ها تأثیر چشم‌گیری را روی گیاهان و حیوانات دارد.
اگرچه بررسی کردن حشرات و نحوه توزیع آن‌ها در طول زمان برای یافتن عوامل مؤثر بر فراوانی و تنوع این گونه جانوری مهم است، اما تجهیزات نظارتی مناسب بسیار محدود هستند.

«بنجامین توماس» (Benjamin Thomas) دانشیار «مؤسسه فناوری نیوجرسی» (NJIT) به عنوان یک متخصص حسگر‌های نوری، در دهه گذشته روی ابزار‌های فوتونیکی برای بررسی حشرات کار کرده است. توماس گفت: من به عنوان یک فیزیکدان که به دنیای حشره‌شناسی وارد می‌شود، بسیار شوکه شدم از اینکه دیدم ما در واقع اطلاعات بسیار کمی را در مورد جمعیت حشرات داریم.

کمبود تجهیزات

کمبود تجهیزات نظارت بر حشرات، مشکلی است که «میکل برایدگارد» (Mikkel Brydegaard) و گروهش در بخش فیزیک «دانشگاه لوند» (Lund University) نیز برای حل کردن آن تلاش کرده‌اند. آن‌ها در یک پژوهش جدید، به یک روش کاربردی دست یافته‌اند که نحوه انعکاس نور از بال‌های حشرات را برای تعیین کردن گونه‌ها و جنسیت آن‌ها تحلیل می‌کند و حتی نکاتی را در مورد جایگاه اکولوژیکی حشرات ارائه می‌دهد.

روش‌های مرسوم معمولا بر حشرات صید شده تکیه می‌کنند که مشاهدات کمی را ارائه می‌دهند و مستعد خطا هستند؛ به ویژه در میان گونه‌هایی که شباهت زیادی به یکدیگر دارند. روش‌هایی که از نور یا تحلیل طیفی بال‌های حشرات استفاده می‌کنند، می‌توانند شرایط را تغییر دهند و به پژوهشگران کمک کنند تا برای نظارت در لحظه بر جمعیت حشرات در حال پرواز کردن، دوربین‌های تخصصی را به کار ببرند.

توماس، که در این پژوهش شرکت نداشت، گفت: این پژوهش، گامی به سوی بهبود دقت شناسایی حسگرهاست که می‌توانند تغییر عمیقی را در توانایی ما برای نظارت بر جمعیت حشرات ایجاد کنند. در کنار تجهیزات جدید هوش مصنوعی و طبقه‌بندی‌کننده‌های مبتنی بر یادگیری ماشینی، این فناوری بسیار امیدوارکننده است.

بررسی اثر انگشت طیفی بال حشرات

مانند اثر انگشت منحصربه‌فرد انسان، از بال‌های ظریف حشرات نیز می‌توان برای شناسایی کردن آن‌ها استفاده کرد. وقتی پژوهشگران با یک دوربین فراطیفی که می‌تواند طیف گسترده‌ای از نور را فراتر از توانایی‌های چشم انسان ثبت کند، بال‌ها را ببینند، می‌توانند ساختار آن‌ها را براساس میزان قدرت و یکنواختی در انعکاس نور بازسازی کنند.

«منگ لی» (Meng Li) دانشجوی مقطع دکتری گروه برایدگارد و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: ما می‌توانیم ببینیم که هر سایه ظریف رنگ، حتی رنگ‌های خارج از طیف مرئی چگونه تحت تأثیر ضخامت بال قرار می‌گیرند. این اطلاعات دقیق در مورد رنگ به ما امکان می‌دهند تا حشرات را براساس الگو‌های منحصربه‌فرد بال آن‌ها مطالعه و شناسایی کنیم.

لی برای تایید کردن ایده خود، ۶۰۰ مگس موسوم به «مگس گلزار» (Hover fly) را از میان ۳۰ گونه متفاوت ارائه‌شده توسط موزه زیست‌شناسی دانشگاه لوند تحلیل کرد. مگس گلزار از یک خانواده بزرگ حشرات شامل تقریبا ۶۰۰۰ گونه است که از نظر مورفولوژی، زیستگاه و رفتار تفاوت زیادی دارند. یکی از تخصص‌های آن‌ها تقلید کردن از حشرات دیگر مانند زنبورهاست و آن‌ها اغلب در حال چرخیدن بالای گل‌های مورد علاقه خود دیده می‌شوند.

لی و گروهش برای نشان دادن این که دوربین آن‌ها می‌تواند به طور دقیق بین گونه‌های متفاوت مگس گلزار تمایز قائل شود، یک مجموعه داده را برای هر گونه تنظیم کردند که پارامتر‌های مربوط به ساختار بال‌های آن‌ها را در بر داشت. همچنین، آن‌ها فرکانس ضربان بال را که اغلب برای شناسایی حشرات استفاده می‌شود، براساس توده بدن و اندازه بال تخمین زدند. با ترکیب کردن همه این پارامترها، لی و گروهش به شناسایی با ۹۱ درصد دقت دست یافتند. این نتیجه به طور قابل توجهی بالاتر از زمانی است که از فرکانس‌های ضربان بال به تنهایی استفاده می‌شود.

این گروه پژوهشی دریافتند که ویژگی‌های طیفی بال‌های مگس گلزار نه تنها بین گونه‌ها، بلکه حتی بین جنسیت‌ها نیز بسیار متفاوت است. این موضوع برای گونه‌هایی که مگس‌های ماده و نر آن به یکدیگر شباهت دارند نیز صدق می‌کند؛ به طوری که تشخیص دادن آن‌ها با چشم دشوار است. بنابراین، توانایی تمایز جنسیتی هنگام نظارت بر جمعیت حشرات و تولید مثل بسیار ارزشمند است.

قلمرو وسیع خانواده مگس گلزار، برایدگارد و همکارانش را بر آن داشت تا همبستگی بین رفتار‌های متفاوت را با ویژگی‌های طیفی بال‌های آن‌ها بررسی کنند. برای انجام دادن این کار، آن‌ها ابتدا گونه‌های نزدیک به هم را پیش از بررسی ساختار بال‌ها با عواملی مانند تقلید رفتاری و نوع زیستگاه مقایسه کردند. برای مثال، این گروه پژوهشی دریافتند که مگس‌های گلزار با بال‌های ضخیم‌تر تمایل به تقلید از زنبور‌ها دارند، در تابستان فعال هستند و عمدتا در مراتع و جنگل‌ها یافت می‌شوند.

جالب اینجاست که اگرچه گونه‌های نزدیک به هم عموما بال‌های مشابهی داشتند، اما ویژگی‌های رفتاری بیشتر از وابستگی به ژنتیک، با تغییرات ضخامت بال‌ها همبستگی داشت. این بدان معناست که ویژگی‌های طیفی بال‌های حشرات نه تنها شناسه‌های منحصربه‌فرد گونه‌ها و جنسیت هستند، بلکه به شناسایی بیشتر جایگاه اکولوژیکی آن‌ها کمک می‌کنند. این امر به ویژه هنگام نظارت بر تأثیر عوامل خارجی مانند کشاورزی و جنگل‌زدایی بر تنوع حشرات، سودمند است.

توماس خاطرنشان کرد: این تحلیل‌ها هنوز باید با اطلاعات دیگر ترکیب شوند تا به دقت بالا در شناسایی گونه برسند. این بدان معناست که ما باید یک پایگاه داده بزرگ را در مورد ویژگی‌های نوری هر گونه ایجاد کنیم تا بتوان از آن برای شناسایی جمعیت متنوعی از حشرات استفاده کرد. این پژوهش در مجله «Advanced Science» به چاپ رسید.