Se presenta un método no destructivo para el muestreo de la variación espacial en la dirección de la luz dispersada a partir de materiales estructuralmente complejas. Al mantener el material intacto, preservamos el comportamiento de dispersión de escala gruesa, mientras que al mismo tiempo captar contribuciones direccionales escala fina con imágenes de alta resolución. Los resultados se visualizan en el software en las posiciones y escalas biológicamente relevantes.
La luz interactúa con tegumento de un organismo en una variedad de escalas espaciales. Por ejemplo, en una ave iridiscente: estructuras a nanoescala producen el color, la estructura mili-escala de barbas y bárbulas determina en gran medida el patrón direccional de la luz reflejada, ya través de la estructura espacial macro-escala de superposición, plumas curvadas, estos efectos direccionales crear la textura visual. Efectos Milli escala y macro escala determinan en qué parte del cuerpo del organismo, y por lo que los puntos de vista y en que la iluminación, los colores iridiscentes se ven. De este modo, el flash muy direccional del color brillante de la garganta iridiscentes de un colibrí se explica adecuadamente por su estructura a escala nano solo y preguntas permanecen. Desde un punto de observación dado, que los elementos mili-escala de la pluma están orientados para reflejar fuertemente? ¿Algunas especies producen más amplio "ventanas" para la observación de las irisaciones que otros? Estas y otras preguntas similares may se le preguntó acerca de los organismos que han evolucionado a un aspecto de la superficie determinada para la señalización, camuflaje, o por otras razones.
Para estudiar los patrones direccionales de dispersión de la luz de las plumas, y su relación con la morfología de escala mili del ave, se desarrolló un protocolo para la medición de la luz dispersada a partir de materiales biológicos con muchas fotografías de alta resolución tomadas con distintos iluminación y visualización de direcciones. Como medimos la luz dispersada en función de la dirección, se puede observar los rasgos característicos de la distribución direccional de la luz dispersada por esa pluma especial, y porque barbas y bárbulas se resuelven en nuestras imágenes, podemos atribuir claramente las funciones de dirección para estos diferentes estructuras de escala mili. Mantener la muestra intacta preserva el comportamiento de dispersión escala bruta visto en la naturaleza. El método descrito aquí presenta un protocolo generalizado para analizar espacialmente-y-direccionalmente VArying dispersión de la luz a partir de materiales biológicos complejos en múltiples escalas estructurales.
El color y el patrón de tegumento de un organismo desempeñan funciones ecológicas y de crítica social en la mayoría de los taxa animales. Estas propiedades fenotípicas son determinados por la interacción de la luz con la estructura del tegumento, que puede exhibir dispersión óptica que varía tanto espacial (a través de la superficie del tegumento) y direccionalmente (con el cambio en la iluminación y la dirección de visión). En los materiales biológicos complejos, tales como plumas, la dirección de dispersión de la luz se ve influida por la orientación de repetir geometría mili-escala. Estas mismas estructuras mili escala pueden ser incorporados a las estructuras a nanoescala, como arrays de melanina, que a menudo heredan la orientación a escala mili. De nano-a macro-escalas, la estructura del tegumento ha evolucionado funcionalmente para aumentar la capacidad de señalización del organismo. Con el fin de evaluar la influencia de la morfología de las diferentes escalas en la apariencia general, herramientas paramedir y analizar el color de las estructuras biológicas necesitan flexibilidad para aislar dispersión de la luz direccional a varias escalas de ampliación.
Hemos desarrollado herramientas de medición basadas en imágenes para estudiar cómo el rendimiento de la morfología de escala mili complejo y variado de una pluma (ramas lengüeta, barbules distales y proximales barbules) amplía la gama de expresión posible de estructuras de nanoescala solo. En una sola imagen registrada por la cámara, se observó que la luz reflejada de manera diferente en diferentes lugares sobre la superficie de la pluma, es decir, reflectancia de la luz fue espacialmente variable. Cuando nos mudamos de la dirección de la luz y la cámara con respecto a la pluma, se observó la reflectancia cambiado, es decir, reflexión de la luz fue direccionalmente variando 1. A raíz de estas observaciones, se ha diseñado un protocolo para moverse metódicamente la luz y una cámara en torno al tema mediante un pórtico esférica 2,3, con el que capturamos 2 dimensiones de doposición rface (X e Y), 2 dimensiones de la dirección de la luz (latitud y longitud) y 2 dimensiones de la dirección de la cámara (latitud y longitud) (Figura 2). En el software se exploraron visualmente las 6 dimensiones de la luz dispersada en función de la posición, la dirección de iluminación y dirección de la vista.
Las investigaciones previas sobre la reflectancia de tegumentos ha descontado demasiada frecuencia la contribución de direccionalidad – por ejemplo, la reflexión difusa vs especular o isotrópica vs anisotrópico – a la expresión del color. La mayoría de las mediciones de color se han fijado la luz incidente, objeto, y la geometría de visualización de evitar cuidadosamente los efectos direccionales. Por ejemplo, para eliminar la reflexión especular a partir de las mediciones de color, es común colocar la luz normal a la superficie y registrar la reflectancia a 45 ° de la normal. Los estudios que hacen enlace morfología direccionalmente variable reflectancia suelen centrarse en la nano escalay sus consecuencias iridiscentes 4-8. Pocos consideran que la contribución de las micro, milisegundos y geometrías macro-escala para la firma óptica de campo lejano 8-11. Por lo tanto, es común emplear un detector de luz de reflexión global a través de una única área de interés que pueden incluir varios componentes mili-y / o macro-escala, tales como ramas de púa, barbas, e incluso plumas enteras 6,8,11-17 . Cuando la región de interés es o bien más pequeño que el límite de resolución del detector o no se ajusta a la forma del campo del detector de vista, el protocolo común especifica disección espécimen para aislar la dispersión de la luz desde el elemento de escala mili específico 8,10 , 13,15.
Hemos desarrollado un protocolo más amplio para la adquisición de la medición y visualización que permite la exploración de las muchas variables a menudo ignorados en otros estudios más específicos. Medimos la dispersión de la luz en un campo de direcciones y acrossa región del espacio con un conjunto masivo de alto rango dinámico, fotografías de alta resolución tomadas desde un conjunto sistemático de la luz y direcciones de visión. Contamos con un sensor de imagen de alta resolución con su variedad de detectores de píxeles en 2D a escala fina. Agregación en el hardware se produce a nivel de píxel, en una escala más pequeña que los elementos mili-escala que estamos midiendo. Una segunda etapa agregados píxeles individuales de software que el usuario selecciona la forma y el tamaño de la región de interés. En consecuencia, un único conjunto de medición puede ser analizado varias veces en el software para explorar diferentes aspectos de la interacción de la luz con el material en múltiples posiciones y escalas biológicamente relevantes. Mediante la eliminación de la disección y la medición de toda la pluma, nuestro protocolo tiene la ventaja de dejar la morfología de la paleta pluma intacta, conservando contexto natural y la función, es decir, las interacciones de luz entre los elementos constitutivos escala mili.
Dispersión de la luz de organismal structura es multidimensional y difícil de cuantificar. Medidas de dispersión de luz 6D no puede aún ser atribuido a la morfología específica dentro de una jerarquía de escala con cualquier instrumento singular. Pero hemos dado un paso importante en esta búsqueda. Hemos desarrollado una herramienta que abarca tres métodos complementarios – reflectancia de muestreo utilizando el pórtico, la exploración de grandes volúmenes de datos en el software, y la visualización de subconjuntos de datos gráficamente – de ampliar nuestra capacidad de medir la dispersión de la luz 6D en cualquier punto de un material, hasta el escala mili. Como se emplean protocolos como el nuestro, nosotros predecimos biólogos identificar miles de rasgos direccionalmente y espacialmente variable y adaptaciones estructurales correspondientes a múltiples escalas de desarrollo. Utilizando nuestras herramientas nos dedicamos a caracterizar el potencial de señalización de la expresión direccional y espacial de las estructuras mili-escala, y la esperanza de arrojar luz sobre las consecuencias adaptativas. Nos dirigimos a una serie de preguntas, tales como: a partir de unay dado el punto de observación, que los elementos a escala fina o regiones a escala bruto de la pluma se hacen eco? ¿Cómo afecta la orientación de los elementos a escala fina influir en la dirección de la luz dispersa? ¿Qué condiciones morfológicas producen un brillo satinado vs un brillo de lentejuelas del ornamento iridiscente? ¿Algunas especies producen más amplio "ventanas" para la observación de las irisaciones que otros? Estas preguntas pueden ser preguntado por las aves y sus plumas, sino también sobre otros organismos que han evolucionado a un aspecto de la superficie determinada para la señalización, camuflaje, o por otras razones.
Aunque el rendimiento y la función de muchas coloraciones pigmentarias y estructurales son bien reconocidos, la morfología de muchos tegumentos es tan complejo que su detalle estructural y función, son poco conocidos 20. Tegumentos han desarrollado especializaciones que varían espacialmente sobre la superficie del organismo para reflejar la luz diferencialmente direccionalmente hacia el espectador. Direccionalidad ha recibido atención principalmente en el estudio de la iridiscencia debido a su cambio de color con el cambio de incidente y ángulo de visión, y la investigación de iridiscencia de tegumento biológica ha obtenido principalmente 1D y 2D algunas mediciones 8,12,17. Sin embargo, las mediciones 6D generalizadas no han sido rutina en el estudio de tegumentos 21-23, iridiscentes o de otra manera, y la literatura sobre fenotipos de color organismal se ve limitada por la falta de datos de color direccionales del tipo nuestro método proporciona.
La pluma es especialmente rmateriales tegumentario ich compuesto por un régimen de estructura mili-escala de las barbas: rami, barbules distales y proximales barbas. La pequeña escala de los elementos y sus complejos arreglos hacen que sea difícil discernir el comportamiento de dispersión de luz de los elementos individuales. Nuestro protocolo lograron aislar la estructura a gran escala mili de la influencia de la geometría macro escala. Al caracterizar las consecuencias funcionales de la expresión de dirección de las estructuras mili-escala a la firma en el campo lejano de la pluma, hemos habilitado investigación sobre sus consecuencias adaptativas.
Enfrentamos intercambios prácticos entre espectral, resolución espacial y angular. Elegimos alta resolución espacial, angular media y baja espectral para nuestros estudios. Otras combinaciones podrían ser utilizados, pero algunos (por ejemplo, todos los alta) conducen a tiempos de medición unworkably largos. La atención debe centrarse en los que es importante para los fenómenos particulares que se están estudiando. En la elección de emplear un ca RGBmera con un filtro de mosaico Bayer, hemos diseñado nuestro protocolo para que coincida con el sistema visual humano. La cámara RGB podría ser sustituido y nuestro protocolo adaptado para medir el estímulo de color relativa de cualquier organismo, se necesita por ejemplo, sensibilidad en el espectro UV para medir aviar tetra-cromática de color 24,25. Una cámara de imagen espectral sería la solución más general 25.
Demostramos nuestro protocolo con plumas de las alas terciarias ya que son coloridos y fácilmente aplastado contra una placa de referencia. Por desgracia, la abertura de la placa de metal reveló sólo una fracción de la superficie de la pluma. Si se pudiera medir simultáneamente la forma 3D de la superficie de la pluma, mientras que la medición de su reflectancia 25, podríamos evitar mecánicamente el aplanamiento de la pluma y en lugar de medir la totalidad de la pluma en su estado natural, sin aplanar.
Herramientas interactivas, especializados e integrados para la visualización de datos proporcionan substantial beneficiar a los científicos explorar e interpretar grandes volúmenes de datos. Cuanto mayor sea la integración y la interactividad, se observan las conexiones más fáciles en los datos. En nuestro software, un usuario puede trazar interactiva dispersión direccional promedio como una función de la posición de la superficie (Figura 4). Un mayor desarrollo de nuestro software puede integrar otras funciones gráficas (Figuras 6, 7) para extender la experiencia interactiva.
The authors have nothing to disclose.
Esta investigación fue financiada por la National Science Foundation (NSF premio CARRERA CCF-0.347.303 y subvenciones NSF CCF-0541105). Los autores desean agradecer a Jaroslav Křivánek, Jon Luna, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, y John Hermanson por sus contribuciones intelectuales. El Cornell esférico pórtico fue construido a partir de un diseño debido a Duane Fulco, Marc Levoy y Szymon Rusinkiewicz.