Vi præsenterer en ikke-destruktiv metode til prøveudtagning rumlig variation i retning af lys spredes fra strukturelt komplekse materialer. Ved at holde materialet intakt, bevare vi brutto-skala spredning adfærd, mens samtidig at opfange fine-skala retningsbestemte bidrag med høj opløsning billeddannelse. Resultaterne er visualiseret i software på biologisk relevante positioner og vægt.
Lys vekselvirker med en organismes integument på en række rumlige skalaer. For eksempel i en iriserende fugl: nano-skala strukturer producerer farve, den milli-skala struktur modhager og bistråler stort set bestemmer den retningsbestemte mønster af reflekteret lys, og gennem makroniveau rumlig struktur overlappende, buede fjer, skabe disse retningsbestemte effekter den visuelle tekstur. Milli-skala og makroskala virkninger afgøre, hvor på organismen krop, og fra hvad synsvinkler og under hvilke belysning er de iriserende farver set. Således er meget retningsbestemt flash af strålende farver fra iriserende hals en kolibri utilstrækkeligt forklares ved dets nanoskala struktur alene og spørgsmål forbliver. Fra en given observation punkt, er som milli-skala elementer i fjer orienteret til reflektere kraftigt? Har nogle arter producerer bredere "vinduer" for observation af regnbuefarver end andre? Disse og lignende spørgsmål may blive spurgt om eventuelle organismer, der har udviklet en bestemt overflade udseende til signalering, camouflage, eller af andre grunde.
For at undersøge de retningsbestemte mønstre af lysspredning fra fjer, og deres forhold til fuglens milli-skala morfologi, har vi udviklet en protokol til måling af lys spredes fra biologiske materialer ved hjælp af mange højopløselige fotografier taget med varierende belysning og visning retninger. Da vi måler spredte lys som en funktion af retning, kan vi iagttage de karakteristiske træk i den retningsbestemte fordeling af lys spredes fra denne særlige fjer, og fordi modhager og bistråler løses i vores billeder, kan vi tydeligt tilskrive de retningsbestemte funktioner til disse forskellige milli-skala strukturer. Holde prøven intakt bevarer brutto-skalaen spredning adfærd ses i naturen. Den her beskrevne fremgangsmåde giver en generel protokol for analyse rumligt og retningsbestemt-vanemføre lysspredning fra komplekse biologiske materialer på flere strukturelle skalaer.
Farven og mønster af en organismes integument spille økologisk og socialt kritiske funktioner i de fleste dyr taxa. Disse fænotypiske egenskaber bestemmes ved lysets vekselvirkning med strukturen af et integument, som kan udvise optisk spredning, der varierer både rumligt (på tværs af overfladen af et integument) og retningsbestemt (med ændringer i belysning og synsretningen). I komplekse biologiske materialer, såsom fjer, er retningen af lysspredning påvirket af orienteringen af gentagne milli-skala geometri. Disse milli-skala strukturer selv kan være integreret med nano-skala strukturer, såsom melanin arrays, som ofte arver milli-skalaen orientering. Fra nano-til makro-skalaer, er strukturen af et integument udviklet funktionelt at øge signalering evne af organismen. For at vurdere indflydelsen af morfologi af forskellige skalaer på det generelle udseende, værktøj tilmåle og analysere farven af biologiske strukturer skal fleksibilitet til at isolere retningsbestemt lysspredning på forskellige skalaer af forstørrelse.
Vi udviklede image-baserede måleværktøjer at studere, hvordan udførelsen af en fjer komplekse og varierede milli-skalaen morfologi (barb rami, distal bistråler og proksimale bistråler) udvider rækken af udtrykket muligt fra nano-skala strukturer alene. I et enkelt billede optaget med kameraet, observerede vi, at lys reflekteres forskelligt på forskellige steder på overfladen af fjer, dvs lysreflektion var rumligt varierende. Når vi flyttede lyset og kameraet retning i forhold til fjeren, observerede vi reflektans ændret sig, er, lysreflektion blev retningsbestemt-varierende 1. Efter disse observationer, der er designet vi en protokol til metodisk flytte lyset og kameraet rundt på motivet med en sfærisk portalkran 2,3, som vi fangede 2 dimensioner surface position (X og Y), 2 dimensioner lysets retning (breddegrad og længdegrad), og 2 dimensioner kameraets retning (breddegrad og længdegrad) (Figur 2). I software vi visuelt udforsket 6 dimensioner af det spredte lys som en funktion af positionen, belysning retning og visning retning.
Tidligere forskning i reflektans fra hinderne har alt for ofte diskonteret bidrag retningsfunktion – fx diffus vs spejlende eller isotropisk vs anisotropisk refleksion – til farve udtryk. De fleste farvemålinger har faste det indfaldende lys, objektet og visning geometri til omhyggeligt at undgå retningsbestemte effekter. For eksempel, for at eliminere spejlende refleksion fra farvemålinger er det almindeligt at placere lyset vinkelret på overfladen og optage reflektansen ved 45 ° fra det normale. Undersøgelser, der gør link morfologi til retningsbestemt-varierende reflektans typisk fokusere på nanoskalaog dens iriserende konsekvenser 4-8. Få overveje bidrag mikro-, milli-og makro-skala geometrier til langt-området optisk signatur 8-11. Det er derfor almindeligt at ansætte en lysdetektor at samle reflektans på tværs af et enkelt område af interesse, som kan omfatte flere milli-og / eller makroniveau komponenter, såsom barb rami, bistråler og endda hele fjer 6,8,11-17 . Når området af interesse er enten mindre end opløsningen grænse for detektoren eller ikke i overensstemmelse med formen af detektorens synsfelt, den fælles protokol specificerer prøve dissektion at isolere lysspredningen fra den specifikke milli-skala element 8,10 , 13,15.
Vi har udviklet en mere omfattende protokol for måling erhvervelse og visualisering, der tilskynder udforskning af de mange variabler ofte ignoreret i andre mere fokuserede studier. Vi måler lysspredning over en kugle med retninger og ACROSsa område af rummet ved hjælp af en massiv sæt af høj dynamikområde, højopløselige billeder taget fra en systematisk sæt af lys og visning retninger. Vi anvender en høj opløsning billedsensor med sin 2D-matrix af fine-skala pixel detektorer. Aggregering i hardware optræder på pixel-niveau, på en skala mindre end milli-skala elementer vi måler. En anden fase aggregater enkelte pixels i software som brugeren vælger formen og størrelsen af regionen af interesse. Følgelig kan en enkelt måling sæt gentagne gange analyseret i software til at udforske forskellige aspekter af lys vekselvirkning med materiale på flere biologisk relevante positioner og vægt. Ved at fjerne dissektion og måling af hele fjer, har vores protokol den fordel at forlade morfologi fjer vinge intakt, fastholde naturlig sammenhæng og funktion, der er, lysets vekselvirkninger mellem konstituerende milli-skala elementer.
Lysspredning fra organismal structure er flerdimensional og vanskelig at kvantificere. Målt 6D lysspredning kan endnu ikke tilskrives specifikke morfologi inden for et hierarki af skalaen med enhver ental instrument. Men vi har taget et vigtigt skridt i denne stræben. Vi har udviklet et værktøj, der omfatter tre komplementære metoder – prøvetagning reflectance bruger gantry, udforske store datamængder i software, og visualisere data delmængder grafisk – at udvide vores evne til at måle 6D lysspredning på ethvert punkt på et materiale, ned til milli-skalaen. Som protokoller som vores er ansat, forudser vi biologer vil identificere et utal af retningsbestemt-og rumligt varierende karaktertræk og tilsvarende strukturelle tilpasninger på flere skalaer af udvikling. Brug vores værktøjer vi er engageret i at karakterisere signalering potentiale retningsbestemt og rumlige udtryk for milli-skala strukturer, og håber at kaste lys på deres adaptive konsekvenser. Vi tage en række spørgsmål, såsom: fra eny given observation punkt, som fin-skala elementer eller brutto-skala regioner i fjeren afspejler kraftigt? Hvordan orienteringen af fine-skala elementer påvirke retningen af spredt lys? Hvilke morfologiske forhold producere et satinagtig glans vs en sequined gnist af iriserende ornament? Har nogle arter producerer bredere "vinduer" for observation af regnbuefarver end andre? Disse spørgsmål kan blive bedt om fugle og deres fjer, men også om alle andre organismer, der har udviklet en bestemt overflade udseende til signalering, camouflage, eller af andre grunde.
Selvom ydeevne og funktion af mange pigmentglaukom og strukturelle colorations godt anerkendes, morfologi mange hinderne er så komplekst, at deres strukturelle detaljer og funktion er dårligt forstået 20.. Hinderne har udviklet specialiseringer, som varierer rumligt over overfladen af organismen til differentielt reflektere lys retningsbestemt ind imod seeren. Direktionalitet har fået opmærksomhed primært i studiet af regnbuefarver på grund af sin farveskift med skift af hændelsen og betragtningsvinkel og forskning i regnbuefarver af biologisk Integument har høstet primært 1D og nogle 2D målinger 8,12,17. Men generaliserede 6D målinger har ikke været rutine i studiet af hinderne 21-23, iriserende eller på anden måde, og litteraturen om organismal farve fænotyper er begrænset af manglen på retningsbestemte farvedata af typen vores metode giver.
Fjeren er et særligt rich integumentary materiale omfattende arrangementer af milli-skala struktur barb: rami, distale bistråler og proksimale bistråler. Den lille skala af elementerne og deres komplekse arrangementer gør det vanskeligt at skelne lysspredningen udførelsen af de enkelte elementer. Vores protokol held isoleret milli-skala struktur fra indflydelse af makro-skala geometri. Ved at karakterisere de funktionelle konsekvenser af den retningsbestemte udtryk for milli-skala strukturer til langt-området underskrift fjer aktiveret vi undersøgelse i deres adaptive konsekvenser.
Vi står over for praktiske kompromiser mellem spektrale, rumlige og kantede opløsning. Vi valgte høj rumlig, middel kantet og lav spektrale for vores studier. Andre kombinationer kan anvendes, men nogle (fx alle høj) fører til unworkably lange måletidspunkter. Bør der lægges vægt hvor det er vigtigt for de særlige undersøgte fænomener. Ved at vælge at ansætte en RGB camera med en Bayer filter mosaik, har vi designet vores protokol til at matche det menneskelige visuelle system. RGB kamera kunne erstattes og vores protokol indrettet til at måle den relative farve stimulus af enhver organisme, er f.eks følsomhed i UV-spektret er nødvendig for at måle aviær tetra-kromatisk farve 24,25. En spektral billeddannelse kamera ville give den mest almindelige opløsning 25.
Vi viste vores protokol med tertial vingefjer da de er farverige og let fladtrykt mod en reference plade. Desværre åbningen af metalpladen afslørede kun en brøkdel af fjer overflade. Hvis vi samtidig kunne måle 3D-form fjer overflade, mens måle dens reflektans 25, kunne vi undgå mekanisk udfladning fjeren og i stedet måle hele fjer i sin naturlige, udfladet tilstand.
Interaktive, specialiserede, integrerede værktøjer til visualisering data giver substantial gavn for forskere udforske og fortolke store datamængder. Jo større integration og interaktivitet, er de lettere forbindelser i de data, overholdes. I vores software, kan en bruger interaktivt plot gennemsnitlig retningsbestemt spredning som en funktion af overflade (Figur 4). Videreudvikling af vores software kunne integrere andre plotte funktioner (figur 6, 7) for at udvide den interaktive oplevelse.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev finansieret af National Science Foundation (NSF KARRIERE award CCF-0.347.303 og NSF tilskud CCF-0.541.105). Forfatterne vil gerne takke Jaroslav Křivánek, Jon Moon, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, og John Hermanson for deres intellektuelle bidrag. Cornell Sfærisk Gantry blev bygget fra et design grundet Duane Fulk, Marc Levoy og Szymon Rusinkiewicz.