Vi presenterer en ikke-destruktiv fremgangsmåte for prøvetaking av romlig variasjon i retning av lys som spres fra strukturelt komplekse materialer. Ved å holde materialet intakt, bevare vi brutto-skala spredning atferd, mens samtidig fange finskala retningsbestemt bidrag med høy oppløsning bildebehandling. Resultatene er visualisert i programvare på biologisk relevante stillinger og badevekt.
Lett samhandler med en organismes integument på en rekke romlige skalaer. For eksempel i en iriserende fugl: nano-skala strukturer produsere farge, den milli-skala struktur av mothaker og barbules i stor grad bestemmer retningsbestemt mønster av reflektert lys, og gjennom makro-skala romlige strukturen av overlappende, buede fjær, disse retningsbestemte effekter skaper den visuelle tekstur. Milli-skala og makro-skala effekter bestemme hvor på organismens kroppen, og fra hva synspunkter og under hvilke belysning, er iriserende farger sett. Dermed er høyst retningsbestemt flash av strålende iriserende farge fra halsen på en hummingbird utilstrekkelig forklares ved dens nano-skala struktur alene og spørsmål gjenstår. Fra et gitt observasjonspunkt, som milli-skala elementer av fjær er orientert for å reflektere sterkt? Er det noen arter produserer bredere "vinduer" for observasjon av Irisering enn andre? Disse og lignende spørsmål may bli spurt om eventuelle organismer som har utviklet seg en bestemt overflate utseende for signalering, kamuflasje, eller andre grunner.
For å studere de retningsbestemte mønstre av lysspredning fra fjær, og deres forhold til fuglens milli-skala morfologi, har vi utviklet en protokoll for å måle lys som spres fra biologisk materiale ved hjelp av mange høyoppløselige fotografier tatt med varierende belysning og visning retninger. Siden vi måler spredt lys som funksjon av retning, kan vi observere de karakteristiske trekk i retningsbestemt distribusjon av lys som spres fra den aktuelle fjær, og fordi mothaker og barbules er løst i bildene våre, kan vi tydelig attributt retningsknappene funksjonene til disse forskjellige milli-skala strukturer. Holde prøven intakt bevarer brutto-skala spredning atferd sett i naturen. Metoden som beskrives her viser en generalisert protokoll for å analysere romlig-og directionally vabekymringsfullt lysspredning fra komplekse biologiske materialet på flere strukturelle skalaer.
Fargen og mønsteret av en organismes integument spille økologisk og samfunnskritisk funksjon i de fleste dyr taxa. Disse fenotypiske egenskaper ble bestemt ved samvirke av lys med strukturen av integument og som kan utøve optisk spredning som varierer både romlig (over overflaten av den integument) og retningsborede (med endring i lys-og synsretningen). I komplekse biologiske materialer, slik som fjær, er retningen av lysspredning påvirket av orienteringen av gjentatte milli-skala geometri. Disse milli-skala strukturer selv kan bygges med nano-skala strukturer, slik som melanin arrays, som ofte arver milli-skala orientering. Fra nano-til makro-skala, har strukturen i integument utviklet seg funksjonelt til å øke signal evne av organismen. For å bedømme innflytelsen av morfologien av forskjellige skalaer for det totale utseende, for åmåle og analysere fargen på biologiske strukturer trenger fleksibilitet til å isolere retningsbestemt lys spredning på ulike skalaer av forstørrelse.
Vi utviklet image-baserte måleverktøy for å studere hvordan utførelsen av en fjær komplekse og varierte milli-skala morfologi (brodd Rami, distale barbules, og proksimale barbules) utvider utvalget av uttrykket mulig fra nano-skala strukturer alene. I ett enkelt bilde som er tatt med kameraet, observerte vi at lyset reflekteres ulikt på forskjellige steder på overflaten av fjær, det vil si lysrefleksjon var romlig-varierende. Når vi beveget lys og kamera retning med hensyn til den fjær, observerte vi reflektansen forandret, det vil si, lysrefleksjon ble directionally varierende en. Etter disse observasjonene, har vi designet en protokoll for å metodisk flytte lyset og kameraet rundt motivet med en sfærisk 2,3 gantry, som vi fanget to dimensjoner av surface posisjon (X og Y), 2 lysdimensjonene retning (breddegrad og lengdegrad), og to dimensjoner av kameraets retning (breddegrad og lengdegrad) (figur 2). I programvare visuelt vi utforsket 6 dimensjonene av det spredte lys som en funksjon av posisjon, retning og belysning synsretning.
Tidligere forskning inn i refleksjon fra integuments har altfor ofte diskontert bidrag av retningen – f.eks diffuse vs Blank eller isotropic vs anisotropt refleksjon – for å farge uttrykk. De fleste måling av farge har løst det innfallende lyset, objekt, og visning geometri å nøye unngå retningsbestemte effekter. For eksempel, for å eliminere spredte refleksjoner fra måling av farge, er det vanlig å plassere lyset normal til overflaten og ta opp reflektansen ved 45 ° fra normalen. Studier som gjør koblingen morfologi til directionally varierende refleksjon typisk fokusere på nano-skalaog dets iriserende konsekvenser 4-8. Noen vurdere bidraget av mikro-, milli-og makro-skala geometri til langt-feltet optisk signatur 8-11. Det er derfor vanlig å ansette en lysdetektor å aggregere refleksjon over et enkelt område av interesse som kan omfatte flere milli-og / eller makro-skala komponenter, for eksempel brodd Rami, barbules, og til og med hele fjær 6,8,11-17 . Når regionen av interesse er enten mindre enn den oppløsningsgrensen for detektoren eller ikke i overensstemmelse med formen av detektorens synsfelt, angir den felles protokoll prøven disseksjon til isolere lysspredning fra den spesifikke milli-skala element 8,10 , 13,15.
Vi har utviklet en mer omfattende protokoll for måling oppkjøp og visualisering som oppmuntrer utforskning av de mange variablene ofte ignorert i andre mer fokuserte studier. Vi måler lysspredning over en sfære av retninger og acrosSA del av verdensrommet ved hjelp av et massivt sett av høy dynamisk område, høyoppløselige bilder tatt fra en systematisk sett av lys og visning retninger. Vi benytter en høyoppløselig bildesensor med sin 2D rekke finskala pixel detektorer. Aggregering hardware skjer på pixel-nivå, i målestokk mindre enn de milli-skala elementer vi måler. En andre fase aggregater individuelle piksler i programvare som brukeren velger formen og størrelsen på regionen av interesse. Følgelig kan en enkelt måling sett gjentatte ganger analyseres i programvaren for å utforske ulike aspekter av lys interaksjon med materiale på flere biologisk relevante stillinger og badevekt. Ved å eliminere disseksjon og måle hele fjær, har vår protokoll fordelen av å forlate morfologi av fjær vane intakt, beholder naturlig kontekst og funksjon som er, lysets samspill mellom konstituerende milli-skala elementer.
Lysspredning fra organismal structure er flerdimensjonale og vanskelig å kvantifisere. Målt 6D lysspredning kan ennå ikke tilskrives spesifikke morfologi innenfor et hierarki av skalaen med noen entall instrument. Men vi har gjort et viktig skritt i denne jakten. Vi har utviklet et verktøy som omfatter tre komplementære metoder – prøvetaking refleksjon ved hjelp av gantry, utforske store datamengder i programvare, og visualisere data undergrupper grafisk – å utvide vår evne til å måle 6D lysspredning på ethvert punkt på et materiale, ned til milli-skala. Som protokoller som vårt er ansatt, spår vi biologer vil identifisere et mylder av directionally og romlig-varierende egenskaper og tilsvarende strukturelle tilpasninger på flere skalaer for utvikling. Med våre verktøy vi er engasjert i karakteriserer signaliserer potensialet i retningsbestemt og romlige uttrykk for milli-skala strukturer, og håper å belyse deres adaptive konsekvenser. Vi tar en rekke spørsmål, for eksempel: fra eny gitt observasjon punkt, som finskala elementer eller grov skala regioner av fjær reflektere sterkt? Hvordan retningen på finskala elementer påvirke retningen av spredt lys? Hva morfologiske forhold produsere en satiny glans vs en paljett gnisten av iriserende ornament? Er det noen arter produserer bredere "vinduer" for observasjon av Irisering enn andre? Disse spørsmålene kan bli bedt om fugler og deres fjær, men også om andre organismer som har utviklet seg en bestemt overflate utseende for signalering, kamuflasje, eller andre grunner.
Selv om ytelsen og funksjon av mange pigmentary og strukturelle colorations er godt anerkjent, er morfologi av mange integuments så komplekse at deres strukturelle detaljer og funksjon er dårlig forstått 20. Integuments har utviklet fordypninger som varierer romlig over overflaten av organismen til differensielt reflektere lys retningsborede mot betrakteren. Directionality har fått oppmerksomhet først og fremst i studiet av Irisering grunn av sin farge skift med skifte av hendelsen og betraktningsvinkel, og forskning på Irisering av biologisk integument har fått primært 1D og noen 2D-målinger 8,12,17. Men generaliserte 6D målinger ikke vært rutine i studiet av integuments 21-23, iriserende eller på annen måte, og litteraturen om organismebiologi farge fenotyper er begrenset av mangel på retningsbestemte farge data av typen vår metode gir.
Fjær er en spesielt rich integumentary materiale omfattende arrangementer av milli-skala struktur av haken: rami, distale barbules, og proksimale barbules. Den lille målestokk av elementene og deres komplekse arrangementer gjør det vanskelig å skjelne den lysspredende ytelsen til de enkelte elementene. Vår protokoll lyktes i å isolere milli-skala struktur fra påvirkning av makro-skala geometri. Ved å karakterisere de funksjonelle konsekvensene av retningsbestemt uttrykk for milli-skala strukturer til langt-feltet signatur av fjær, aktiverte vi gransking sine adaptive konsekvenser.
Vi hadde praktiske avveininger mellom spektral, romlig og kantete oppløsning. Vi valgte høy romlig, middels kantete og lav spektral for våre studier. Andre kombinasjoner kan brukes, men noen (f.eks alle høy) føre til unworkably lange måling ganger. Oppmerksomheten må være fokusert der det er viktig for de spesielle fenomenene som studeres. I å velge å ansette en RGB camera med en Bayer filter mosaikk, designet vi vår protokoll for å matche den menneskelige visuelle systemet. RGB-kameraet kan bli erstattet og vår protokoll innrettet til å registrere den relative farge stimulans av enhver organisme, er f.eks følsomhet i UV-spektrum for å måle avian tetra-kromatisk farge 24,25. En spektral avbildning kameraet ville gi den mest generelle løsningen 25.
Vi viste vår protokoll med tertial vingefjær siden de er fargerike og lett flatet mot en referanse plate. Dessverre er avdekket åpningen av metallplaten bare en brøkdel av den fjær overflate. Hvis vi kunne samtidig måle 3D-form av fjær overflate mens måle dens refleksjon 25, kunne vi unngå mekanisk flate ut fjær og i stedet måle hele fjær i sin naturlige, unflattened tilstand.
Interaktive, spesialiserte, integrerte verktøy for å visualisere data gir substantial nytte for forskere å utforske og tolke store datamengder. Jo større integrasjon og interaktivitet, blir de enklere forbindelser i dataene observert. I vår programvare, kan en bruker interaktivt plotte gjennomsnittlig retningsbestemt spredning som funksjon av overflaten (figur 4). Videreutvikling av vår programvare kunne integrere andre plotte funksjoner (figur 6, 7) for å forlenge den interaktive opplevelsen.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble finansiert av National Science Foundation (NSF KARRIERE award CCF-0347303 og NSF stipend CCF-0541105). Forfatterne ønsker å takke Jaroslav Krivanek, Jon Moon, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, og John Hermanson for sine intellektuelle bidrag. The Cornell Sfærisk Gantry ble bygget fra et design på grunn av Duane Fulko, Marc Levoy, og Szymon Rusinkiewicz.