Язь (Leuciscus idus) — рыба, обитающая в низовьях медленных рек. Как и большинство рыб, он может воспринимать течение по боковой линии. Механорецепторы этого органа распределены по поверхности всего тела, поэтому орган обеспечивает трехмерное изображение гидродинамических условий. Таким образом, рыбы также могут ориентироваться в темноте и распознавать добычу, сородичей или хищников.
Недавно вышедший на пенсию зоолог проф. Хорст Блекманн из Боннского университета много лет исследовал этот чувствительный орган и использовал его в качестве источника для технических датчиков расхода, например, для выявления утечек в водопроводных трубах.
Первая реалистичная трехмерная компьютерная модель
Ученые Dr. Хендрик Херцог из Института зоологии и доктор.
Александр Зиглер из Института эволюционной биологии и экологии Боннского университета открыл новое измерение в исследованиях боковой линии у рыб: они создали первую реалистичную трехмерную компьютерную модель системы боковой линии, которую они использовали. для расчета точных условий потока окружающей воды. «Мы сконцентрировались на голове язя, потому что здесь боковая линия рыбы имеет особенно сложную форму», — сообщает д-р. Герцог.
Этот орган имеет два разных типа сенсоров. Некоторые выступают на поверхности кожи рыбы, как небольшие бугорки, и вода течет прямо по ним. Другие сидят в каналах, которые погружены в черепную кость и связаны с водой через небольшие поры. «Если добыча, такая как пресноводная креветка, находится поблизости, меняются местные условия течения и давления воды», — объясняет доктор.
Циглер. Рыба регистрирует это с помощью множества датчиков. "Однако до сих пор фактическая функция таких различных типов измерения тока не была окончательно выяснена."
Оба исследователя получили активную поддержку от Биргит Кляйн из Вестфальского университета прикладных наук. В своей бакалаврской диссертации в Институте зоологии нынешняя магистрантка сравнила различные методы 3D-реконструкции.
Она сделала около 350 фотографий головы язя под разными углами и использовала их для создания 3D-модели поверхности рыбы. Она заранее покрасила каналы и датчики боковой линии, поэтому структуры на модели можно четко идентифицировать.
Затем она оптимизировала набор данных, оцифровав голову рыбы с помощью процедуры лазерного сканирования с гораздо более высоким разрешением.
Это создало реалистичное изображение поверхности рыбы, но внутренняя часть животного не была записана таким образом. Вот почему исследователи использовали сканер микрокомпьютерной томографии в качестве третьего метода. Контрастное вещество позволило показать мягкие ткани даже при использовании этого рентгеновского метода.
В конце концов, данные всех трех методов перетекли в реалистичную модель боковой линии. Таким образом, зоологи смоделировали различные текущие условия и рассчитали гидродинамические сигналы для различных датчиков.
Сильное течение — проблема для рыб, так как фоновый шум для датчиков особенно велик.
Тем не менее, рыба может точно воспринимать окружающую среду даже при высоких скоростях воды. Как показывают расчеты исследователи, углубления обеспечивают значительное снижение тока для датчиков, похожих на шишки, которые расположены на поверхности кожи. «Относительная сила сигнала, например, от организмов-жертв, таким образом, становится больше», — объясняет д-р. Герцог. Для датчиков в каналах было показано, что определенные участки боковой линии особенно чувствительны к соответствующей силе тока из-за разного диаметра каналов.
Приложение, вдохновленное биологией: улучшенная навигация подводных роботов
«Используя наш методический подход, в будущем можно будет проводить сравнительные анатомические исследования между различными видами рыб с особенно высоким уровнем детализации», — сообщает д-р. Циглер. Его коллега видит на переднем плане приложения, вдохновленные биологией: «Знания, полученные из таких трехмерных моделей рыб, также могут позволить значительно улучшить автономную навигацию подводных роботов с использованием датчиков потока», — предполагает доктор.
Герцог.