Η ενέργεια βρίσκεται στον πυρήνα της ζωής. Από την εξέλιξη και τη συμπεριφορά μέχρι τη φυσιολογία, η διαθεσιμότητα ενέργειας υπήρξε καθοριστικός παράγοντας για κάθε οργανισμό στον πλανήτη. Παρ’ όλα αυτά, η ακριβής μέτρηση της ενεργειακής κατανάλωσης των ζώων παραμένει ένα από τα πιο δύσκολα πειραματικά προβλήματα της Βιολογίας. Τώρα, μια καινοτόμος μέθοδος που συνδυάζει βιντεοσκόπηση, τρισδιάστατη ανάλυση κινήσεων και τεχνητή νοημοσύνη έρχεται να αλλάξει τα δεδομένα.
Η νέα αυτή προσέγγιση προέρχεται από το Marine Biophysics Unit του Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα (OIST), σε συνεργασία με τον καθηγητή Amatzia Genin από το Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ, και δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό Journal of Experimental Biology.
Η ενέργεια της κίνησης: ένας βασικός δείκτης
Η κατανάλωση ενέργειας από τα ζώα εξυπηρετεί ποικίλες λειτουργίες, από την ανάπτυξη και την πέψη μέχρι τη νοητική δραστηριότητα. Ωστόσο, η κίνηση είναι ένας από τους σημαντικότερους «καταναλωτές» ενέργειας για πολλά είδη, ειδικά για τα πιο κινητικά. Έτσι, η ανάλυση της κίνησης αποτελεί ένα πολύτιμο εργαλείο για την εκτίμηση της συνολικής ενεργειακής δαπάνης ενός οργανισμού.
Μέχρι σήμερα, η πιο ακριβής μέθοδος ήταν η λεγόμενη Δυναμική Επιτάχυνση Σώματος (Dynamic Body Acceleration – DBA). Αυτή βασίζεται στην καταγραφή της κατανάλωσης οξυγόνου στο εργαστήριο, ταυτόχρονα με την επιτάχυνση του σώματος μέσω αισθητήρων. Δεδομένου ότι η κατανάλωση οξυγόνου αποτελεί άμεσο δείκτη ενεργειακής δαπάνης μέσω της κυτταρικής αναπνοής, η συσχέτιση της με την επιτάχυνση επιτρέπει στους ερευνητές να υπολογίζουν την ενέργεια που απαιτείται για κάθε κίνηση.
Το όριο του εξοπλισμού και η λύση μέσω βίντεο
Ωστόσο, το μεγάλο μειονέκτημα της DBA είναι η εξάρτηση από φυσικούς αισθητήρες και εξοπλισμό που τοποθετείται στο σώμα των ζώων. Όπως εξηγεί ο Dr. Kota Ishikawa, πρώτος συγγραφέας της μελέτης, η μάζα του εξοπλισμού πρέπει να είναι τουλάχιστον δέκα φορές μικρότερη από αυτή του ζώου ώστε να μην αλλοιώνει τη φυσιολογική του συμπεριφορά. Αυτό ουσιαστικά αποκλείει τη μελέτη όλων των σπονδυλωτών με βάρος κάτω των 100 γραμμαρίων, δηλαδή περίπου το 50% των ειδών στον πλανήτη.
Επιπλέον, ειδικά σε ζώα που κινούνται στο νερό ή στον αέρα, η προσθήκη εξωτερικών συσκευών μπορεί να επηρεάσει την υδροδυναμική ή αεροδυναμική τους απόδοση, αλλοιώνοντας το αποτέλεσμα.
Η λύση που πρότεινε η ομάδα του OIST είναι ριζικά διαφορετική και βασίζεται στην παρακολούθηση μέσω βίντεο και deep learning. Χρησιμοποιώντας δύο κάμερες για να καταγράψουν την κίνηση ενός μικρού ψαριού (damselfish) από διαφορετικές γωνίες, οι ερευνητές κατάφεραν να αναπαραστήσουν την κίνησή του σε τρισδιάστατο χώρο.
Ακολούθως, εκπαιδεύοντας ένα νευρωνικό δίκτυο βαθιάς μάθησης (deep neural network) σε μερικά καρέ του βίντεο, το σύστημα μπόρεσε να εντοπίσει κρίσιμα χαρακτηριστικά του σώματος του ζώου (όπως τα μάτια) και να υπολογίσει την επιτάχυνση. Από εκεί και πέρα, η ενεργειακή κατανάλωση μπορούσε να προσεγγιστεί με βάση τη συσχέτιση που ήδη έχει προσδιοριστεί μεταξύ επιτάχυνσης και κατανάλωσης οξυγόνου.
Ανοίγοντας τον δρόμο σε νέα πεδία μελέτης
Η βιντεοσκοπική μέθοδος DBA, όπως την ονομάζουν οι επιστήμονες, έχει τεράστιες εφαρμογές. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε εργαστηριακές συνθήκες όσο και στο πεδίο, ακόμα και για συλλογικές συμπεριφορές όπως το κοπαδιακό κολύμπι των ψαριών. Όπως σημειώνει ο Dr. Ishikawa, με αυτήν τη μέθοδο μπορούμε επιτέλους να απαντήσουμε ερωτήματα όπως: Χρειάζονται περισσότερη ενέργεια τα ψάρια που ηγούνται ενός κοπαδιού; Είναι το κολύμπι σε κοπάδι μια ενεργειακά αποδοτική στρατηγική;
Οι απαντήσεις σε τέτοια ερωτήματα θα προσφέρουν βαθύτερη κατανόηση της οικολογίας, της φυσιολογίας αλλά και της εξέλιξης των ζώων. Παράλληλα, ανοίγει ο δρόμος για μη επεμβατική μελέτη της ενέργειας σε πληθώρα ειδών που μέχρι τώρα δεν μπορούσαν να εξεταστούν λόγω μεγέθους ή περιβαλλοντικών περιορισμών.
Μια μέθοδος για το μέλλον της Βιολογίας
Η νέα τεχνική αποτελεί σημείο καμπής στην οικολογική έρευνα, καθώς κάνει προσιτή και ακριβή την καταγραφή της ενεργειακής δαπάνης ακόμα και για τα μικρότερα είδη. Επιπλέον, μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα ειδών και συμπεριφορών, με ελάχιστη επίδραση στην ίδια τη συμπεριφορά του ζώου.
Σε μια εποχή που η κατανόηση της ενεργειακής ισορροπίας και των περιβαλλοντικών πιέσεων είναι καθοριστικής σημασίας για τη διατήρηση της βιοποικιλότητας, τέτοιες μη επεμβατικές και ακριβείς τεχνικές προσφέρουν μια ελπιδοφόρα προοπτική για το μέλλον της οικολογικής μελέτης και της ζωικής βιολογίας.
[via]
VIA: TechGear.gr
