Vi presenterar en icke-förstörande metod för provtagning rumslig variation i riktning mot ljuset sprids från strukturellt komplexa material. Genom att hålla materialet intakt, bevarar vi brutto-skala spridning beteende, medan samtidigt fånga finskaliga riktade insatser med hög upplösning. Resultaten visualiseras i mjukvara på biologiskt relevanta positioner och våg.
Ljuset interagerar med en organisms integument på en variation av rumsliga skalor. Till exempel i en regnbågsskimrande fågel: nanoskala strukturer skapar färg, den milli skala strukturen av hullingar och barbules stor del avgör riktningsmönster av reflekterat ljus, och genom den makroskala rumsliga struktur överlappande, böjda fjädrar, dessa riktade effekter skapar den visuella texturen. Milli-skala och makronivå effekter avgöra var på organismens kropp, och från vilka synpunkter och under vilka belysning, de skimrande färgerna sett. Således är det mycket riktad blixt av lysande färger från regnbågsskimrande halsen av en kolibri otillräckligt förklaras av dess nanonivå struktur ensam och frågor återstår. Från en given observation punkt, som milli-skala delar av fjäder är orienterade att reflektera starkt? Gör vissa arter producerar bredare "fönster" för observation av irisering än andra? Dessa och liknande frågor may tillfrågas om eventuella organismer som har utvecklats en viss yta utseende för signalering, kamouflage, eller av andra skäl.
För att studera de riktade mönster av ljusspridning från fjädrar, och deras förhållande till fågelns milli-skala morfologi, utvecklade vi ett protokoll för mätning av ljus som sprids från biologiska material med många högupplösta bilder tagna med olika belysning och visning riktningar. Eftersom vi mäter spritt ljus som en funktion av riktning, kan vi observera de karaktäristiska dragen i riktningsområdet fördelningen av ljus som sprids från just fjäder, och eftersom hullingar och barbules löses i vår bilder, kan vi tillskriva tydligt de riktade funktioner för att dessa olika milli skala strukturer. Att hålla provet intakt bevarar den brutto-skalan spridning beteende ses i naturen. Metoden som beskrivs här uppvisar en generaliserad protokoll för analys spatialt och directionally-vabedrivande ljusspridning från komplexa biologiska material vid flera strukturella skalor.
Färgen och mönstret av en organisms integument spela ekologiskt och samhällskritiska funktioner i de flesta djur taxa. Dessa fenotypiska egenskaper bestäms av kopplingen mellan ljus med strukturen i integument, som kan uppvisa optisk spridning som varierar både rumsligt (över ytan av integument) och directionally (med förändring av belysning och visning riktning). I komplexa biologiska material, såsom fjädrar, är riktningen för ljusspridning påverkas av orienteringen av upprepande milli-skala geometri. Dessa milli-skala strukturer själva kan bäddas med nanoskala strukturer, såsom melanin arrayer, vilket ofta ärver milli-skalan orientering. Från nano-till makro-skalor, har strukturen av integument utvecklats funktionellt att öka signalering förmåga organismen. För att bedöma påverkan av morfologin hos olika skalor på det allmänna utseendet, verktyg för attmäta och analysera färgen av biologiska strukturer behöver flexibilitet för att isolera riktad ljusspridning vid olika skalor av förstoring.
Vi utvecklade bildbaserade mätverktyg för att studera hur utförandet av en fjäder komplexa och varierande milli-skala morfologi (hulling rami, distala barbules och proximala barbules) utökar utbudet av uttrycket möjligt från nanonivå strukturer ensam. I en enda bild som registreras av kameran, konstaterade vi att ljuset reflekteras olika vid olika ställen på ytan av fjäder, som är, ljusreflektion var rumsligt varierande. När vi flyttade ljuset och kameran riktning i förhållande till fjädern, observerade vi reflektansen förändrats, det är, ljusreflektion var riktat varierande 1. Efter dessa observationer, utformade vi ett protokoll för att metodiskt flytta ljuset och kameran runt motivet med hjälp av en sfärisk portal 2,3, som vi fångade 2 dimensioner av Surface positionen (X och Y), två dimensioner av ljus riktning (latitud och longitud), och två dimensioner av kamerariktning (latitud och longitud) (Figur 2). I program vi undersökt visuellt de 6 dimensionerna hos det spridda ljuset som en funktion av läget, belysning riktning och utsikt riktning.
Tidigare forskning om reflektansen från integuments har alltför ofta diskonteras bidrag riktverkan – t.ex. diffus vs speglande eller isotropt vs anisotropisk reflektion – att färga uttryck. De flesta färgmätningar har fasta infallande ljus, objekt, samt visning geometri att noga undvika riktade effekter. Till exempel, för att eliminera spegelreflektion från färgmätningar, är det vanligt att placera ljuset normalt mot ytan och registrera reflektansen vid 45 ° från det normala. Studier som gör länk morfologi till riktningsmässigt-varierande reflektans fokuserar typiskt på nanonivåoch dess skimrande konsekvenser 4-8. Några anser att bidrag av mikro-, milli-och makronivå geometrier till långt-området optisk signatur 8-11. Det är därför vanligt att använda en ljus detektor att aggregera reflektans över ett enda område av intresse som kan omfatta flera milli-och / eller makronivå komponenter såsom hulling rami, barbules, och även hela fjädrar 6,8,11-17 . När regionen av intresse är antingen mindre än upplösningen gränsen för detektorn eller inte överensstämmer med formen av detektorns synfält, anger vanligt protokoll provet dissektion att isolera ljusspridning från specifika milli-skala elementet 8,10 , 13,15.
Vi har utvecklat en mer omfattande protokoll för mätning förvärv och visualisering som uppmuntrar utforskning av de många variabler ofta ignoreras i andra mer fokuserade studier. Vi mäter ljusspridning över en sfär av riktningar och Acrossa region i rymden med hjälp av en massiv uppsättning av hög dynamiskt omfång, högupplösta fotografier tagna från en systematisk uppsättning av ljus och vägbeskrivning visning. Vi använder en högupplöst bildsensor med dess 2D matris med finskaliga pixeldetektorer. Aggregation i hårdvara sker på pixelnivå, på en skala mindre än milli-skala element som vi mäter. En andra fas aggregat enskilda pixlar i mjukvara som användaren väljer formen och storleken på regionen av intresse. Följaktligen kan en enda mätning set upprepade gånger analyseras i programvaran för att undersöka olika aspekter av ljus interaktion med material vid flera biologiskt relevanta positioner och våg. Genom att eliminera dissektion och mäta hela fjäder, har våra protokoll fördelen att lämna morfologi fjäder vane intakt, behålla naturliga sammanhang och funktion som är, ljusets växelverkan mellan ingående milli-skala element.
Ljusspridning från organismens sTRUKTUR är flerdimensionell och svår att kvantifiera. Mätt 6D ljusspridning kan inte ännu hänföras till specifik morfologi inom en hierarki av skalan med någon singular instrument. Men vi har gjort ett viktigt steg i denna strävan. Vi har utvecklat ett verktyg som omfattar tre kompletterande metoder – Provtagning reflektans använder portal, utforska stora datamängder i mjukvara, och visualisering av data delmängder grafiskt – att utöka vår förmåga att mäta 6D ljusspridning i någon punkt på ett material, ner till milli-skalan. Som protokoll som vårt är anställda, förutspår vi biologer kommer att identifiera en myriad av riktningsmässigt-och spatialt varierande egenskaper och motsvarande strukturella anpassningar på flera skalor av utveckling. Med våra verktyg är vi engagerade i att karakterisera signalering potentialen för det riktade och rumsliga uttryck av milli-skala strukturer, och hoppas att belysa deras adaptiva konsekvenser. Vi tar upp en rad frågor, till exempel: från etty given observation punkt, vilket finskaliga element eller grov skala regioner fjäder reflekterar starkt? Hur orienteringen av de finskaliga element påverka inriktningen av spritt ljus? Vilka morfologiska förhållanden producera en satiny glans vs en sequined gnistra av skimrande prydnad? Gör vissa arter producerar bredare "fönster" för observation av irisering än andra? Dessa frågor kan ställas om fåglar och deras fjädrar utan också om alla andra organismer som har utvecklats en viss yta utseende för signalering, kamouflage, eller av andra skäl.
Även om prestanda och funktion av många pigmentering och strukturella färgsättningar är välkända, är morfologi många integuments så komplicerade att deras strukturella detaljer och fungerar dåligt är förstås 20. Integuments har utvecklat inriktningar som varierar rumsligt över ytan av organismen att differentiellt reflektera ljus directionally mot betraktaren. Riktningsverkan har fått uppmärksamhet framför allt i studien av irisering grund av dess färgskiftningar med byte av tillbud och betraktningsvinkel, och forskning om irisering av biologisk integument har samlat främst 1D och några 2D mätningar 8,12,17. Men generaliserade 6D mätningar inte varit rutin i studien av integuments 21-23, iriserande eller på annat sätt, och litteraturen om organismal färg fenotyper begränsas av bristen på riktade färgdata av den typ som vår metod ger.
Den fjäder är ett speciellt rich integumentary material omfattande arrangemang av milli-skala struktur hullingen: Rami, distala barbules och proximala barbules. Den småskaliga av elementen och deras komplexa arrangemang gör det svårt att urskilja ljusspridning resultatutvecklingen för de enskilda elementen. Vår protokoll isolerade framgångsrikt milli-skala struktur från påverkan av makro-skala geometri. Genom att karakterisera de funktionella konsekvenserna av den riktade uttryck av milli-skala strukturer till långt-området undertecknandet av fjäder, aktiverade vi utredning sina adaptiva följder.
Vi möter praktiska avvägningar mellan spektral, spatial och vinkel-upplösning. Vi valde hög rumslig, medelhög vinkel och låg spektral för våra studier. Andra kombinationer kan användas, men vissa (t.ex. alla hög) leder till unworkably långa mättider. Insatserna måste vara inriktade där det är viktigt för de speciella fenomen som studeras. I valet att anställa en RGB caMera med ett Bayer filter mosaik, utformade vi våra protokoll för att matcha den mänskliga visuella systemet. RGB-kamera kunde bytas ut och våra protokoll anpassat för att mäta den relativa färgen stimulans av en organism, är t.ex. känslighet i UV-spektrumet för att mäta aviär tetra-kromatisk färg 24,25. En spektral avbildning kamera skulle ge den mest allmänna lösningen 25.
Vi visade våra protokoll med tertialet vingpennor eftersom de är färgglada och lätt tillplattad mot en referens platta. Olyckligtvis avslöjade öppningen av metallplattan endast en bråkdel av fjäder yta. Om vi kunde samtidigt mäta 3D-formen på fjädern ytan samtidigt mäta dess reflektans 25, kunde vi undvika mekaniskt platta fjädern och istället mäter hela fjäder i sin naturliga utplattad, tillstånd.
Interaktiva, specialiserade, integrerade verktyg för att visualisera data ger väsental nytta för forskare utforska och tolka stora datamängder. Ju större integration och interaktivitet, är de enklare anslutningar i data observerats. I vår programvara, kan användaren rita interaktivt genomsnittliga riktad spridning som funktion av ytläge (Figur 4). Vidareutveckling av vår programvara kan integrera andra plottning funktioner (fig. 6, 7) att förlänga interaktiv upplevelse.
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning har finansierats av National Science Foundation (NSF KARRIÄR utmärkelse CCF-0.347.303 och NSF bevilja CCF-0.541.105). Författarna vill tacka Jaroslav Křivánek, Jon Moon, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, och John Hermanson för deras intellektuella bidrag. Den Cornell Sfärisk Gantry byggdes från en design tack vare Duane Fulk, Marc Levoy och Szymon Rusinkiewicz.