食物鏈底層的橈足類動物

成立于1885年的蘇黎世聯邦理工大學，世界上最較好的自然科學大學之一。目前擁有來自100多個國家的超過25000人在此學習、研究。

在環境工程學院的環境流體力學研究組，Fran?ois-Ga?l Michalec博士以及Markus Holzner教授共同研究的重點，就是橈足類游泳行為與理化環境的分析。

橈足類這種小型甲殼動物居住在幾乎所有的水生環境中，從熱液噴口到極地海洋。地球上橈足類動物的數量遠超過海洋浮游動物的數量，已經成為了食物鏈中小型魚類、小甲殼類生物的主要食物來源。

▲顯微鏡下三只生機勃勃的橈足類“獨眼巨人”。

正因為橈足類動物在食物鏈中扮演著如此重要的底層角色，研究它們的生態學，對于研究自然環境的保護和演化才具有重要意義。

橈足類動物尺寸小，它們的游泳能力有限，通常只能沿河流、洋流漂泊而生。但是在小范圍的靜水中，它們可以獨立自主的自行游動，并表現出生物的各種復雜行為。運動讓它們可以獵食、躲避捕食者或其他危險、尋找伴侶，而這些行為都會影響水中其他水生物群落的形態。

影響橈足類動物行為的環境因素包括非常多的自然因素或人為因素。包括鹽度、同類或捕食者釋放的化學信號、浮游植物滲出液、光照強度或水性污染物等。因此，如何對不同環境條件下的橈足類行為進行準確的生態預測和種群動態模擬，成為了研究的重點方向。

為橈足類拍攝3D電影

在環境工程研究所Michalec博士的幫助下，研究團隊建立了一套高速3D-PTV視覺系統。使用四臺德國Mikrotron EoSens^? CL高速相機，用以拍攝以及重建橈足類三維粒子跟蹤測速軌跡，英文簡稱3D-PTV。

用于觀測的PTV系統，需要長時間記錄橈足類動物的運動，并能夠慢動作回放，因此對相機的幀頻要求較高。研究團隊所使用的PTV系統，由四臺經過校準的Mikrotron黑白EoSens^? CameraLink接口相機組成， 它們使用四個經過計算的視角，可以同步捕捉和記錄橈足類動物在大約2升水中的自由運動影像。

▲整個3D-PTV系統就是這樣的。四臺相機，拍攝“玻璃水箱舞臺”中的橈足動物演員。水箱中配有光源，以及可控的水流運動裝置。

“在1280×1024分辨率下，相機可以達到506fps，操作界面簡單易用，表現的非常棒，”Michalec博士對相機性能一直贊不絕口。

由四臺相機捕捉到的圖像，被傳輸到由多個硬盤陣列組成的大型存儲系統中。拍攝獲取到了大量的橈足類運動軌跡，可以確保可靠地統計分析。

▲四臺高速相機拍攝角度略有差異，構成的視覺差可以在軟件的分析下進行三維運動軌跡重建。

▲相機們的正面照。

通過蘇黎世聯邦理工大學自主開發的軟件，對獲取到的圖像進行分析，并且在數字空間中重建了橈足類的運動軌跡。由此，Michalec博士的研究團隊便能夠得到速度、加速度，以及其他復雜的運動模型。

與控制值的比較量化了行為改變的程度。例如，測量結果表明，生活在河流中的物種可以被亞致死的毒物污染濃度所影響，該項研究甚至可以捕捉到痕量污染物對細微生態損害的過程信息。而傳統的河口生物死亡率測試，僅能夠簡單粗暴判斷污染物的致死量。

高速成像和長時間記錄存儲的有益結合

研究團隊之前設想的是僅使用兩臺相機，以較低幀速即可搭建需要的3D-PTV平臺。但是橈足類動物可以在局部的干擾下，突然加速動作或者跳躍，抑或突然的減速或停止運動。因此原有方案并不能夠完全捕捉間歇的動物行為。

升級版的3D-PTV平臺使用四臺高速相機，幀頻高達506fps，能有效的捕捉到橈足類動物的運動細節。同時還大大減少了粒子檢測和跟蹤效率，減少了在立體重建中出現的誤差和歧義。整臺系統目前已經可以同時追蹤數百只橈足類同時游動。

▲使用1280×1024分辨率，100fps幀速記錄下的橈足類動物運動，黑色背景下的小白點即是。

▲四臺Mikrotron EoSens^? CL相機拍攝的不同角度的影像。每臺相機都在5分鐘內拍攝了30000幀圖片。

脆弱的橈足類

在3D-PTV平臺中，流動的橈足類動物很小，拍攝的光照是通過激光在可見光范圍內提供的，但是橈足類對可見光非常敏感，需要在非常低的強度下進行實驗，才能在拍攝的照明需要以及橈足類動物演員的性命間做出平衡。

因此，研究團隊利用了近紅外光源進行照明。EoSens^?的芯片可以提供近紅外波段的高量子效率，盡管光照強度低，但依然可以得到大景深的銳利圖像。

盡管光照條件非常低，但Mikrotron EoSens^? CL相機擁有非常高的靈敏度，即使在高速曝光的過程中，依然可以獲得橈足類的清晰成像。

幀速也是非常關鍵的問題，100fps的幀頻并不能完全記錄下橈足類的加速度運動，并且還要考慮有限的帶寬和存儲空間限制。

“100fps幀頻下我們可以記錄一個小時，但在500fps的幀頻下，我們只能記錄大概10分鐘。于是我們增加了兩臺相機，剛好能夠解決部分太嗨的橈足動物加速運動的問題，”Michalec博士說道。

▲德國Mikrotron EoSens^? CL相機黑白版本無濾光片的QE曲線。其對于700nm的近紅外波段響應非常好。