Verhaltensauffällig
High-Speed-Kameras beobachten Ruderfußkrebse
Die Erforschung des Schwimmverhaltens von Ruderfußkrebsen stellt Wissenschaftler vor zahlreiche Herausforderungen. Die Tiere sind lichtempfindlich, bewegen sich sehr ruckartig und für eine statistisch relevante Auswertung muss eine hohe Anzahl von Schwimmbahnen innerhalb einer längeren Zeitspanne erfasst werden. Die Forschungsgruppe an der ETH Zürich nutzt dazu die Methode der 3D-PTV Technologie und High-Speed-Kameras.
Dr. François-Gaël Michalec arbeitet als Forscher in der Gruppe für Umweltströmungsmechanik am Institut für Umweltingenieurwissenschaften unter Prof. Dr. Markus Holzner. Seine Forschung konzentriert sich auf calanoide Ruderfußkrebse und ihr Schwimmverhalten in Bezug auf physikalische und chemische Eigenschaften ihrer Umgebung. Ruderfußkrebse sind kleine Krustentiere von 0,2 bis 2mm, die in praktisch allen Wasserumgebungen zu Hause sind. Sie stellen in der Regel den größten Anteil des marinen Zooplanktons und sind damit für Organismen einer höheren trophischen Ebene wie z.B. Fischlarven oder kleine Krustentiere eine wichtige Nahrungsquelle. Aufgrund dieser für den Aufbau der Nahrungskette entscheidenden Rolle hat die Wissenschaft ein großes Interesse an der Erforschung der Tiere entwickelt. Wegen ihrer geringen Größe haben Ruderfußkrebse eine eingeschränkte Schwimmfähigkeit. In der Regel treiben sie mit der Strömung der Ozeane mit. In begrenztem Umfang können sie sich aber auch unabhängig von der jeweiligen Strömung bewegen.
High-Speed 3D-PTV System
Die Forschungsgruppe hat die Schwimmbahnen der Ruderfußkrebse über eine dreidimensionale partikelunterstützte Geschwindigkeitsmessung (PTV) nachvollzogen. Das verwendete System bietet die Chance, High-Speed Aufnahmen mit langen Aufnahmezeiten zu kombinieren. Es besteht aus vier kalibrierten monochromen EoSens Kameras, die für vier verschiedene Blickwinkel positioniert wurden. Die Kameras zeichnen synchron auf und erfassen die Bewegungen der frei schwimmenden Ruderfußkrebse innerhalb eines Messvolumens von etwa zwei Litern. Dabei werden bis zu 506fps bei einer Auflösung von 1.280×1.024 Pixel erfasst. Die Bilder werden auf ein großvolumiges Speichersystem übertragen und mit einer von der ETH Zürich entwickelten Software analysiert. Sie rekonstruiert die Schwimmbahnen der Ruderfußkrebse über die synchronisierten Bildersequenzen der vier unabhängig voneinander funktionierenden Kameras. Aus den Schwimmbahnen ermittelt die Forschungsgruppe relevante Lagrange-Werte wie z.B. Geschwindigkeit, Beschleunigung und Bewegungs-Komplexität. Über einen Vergleich mit Kontrollwerten lässt sich die Veränderung der Verhaltensmuster bestimmen. Vorausgegangene Studien wurden mit einem 3D-PTV System durchgeführt, das nur aus zwei Kameras bestand und mit einer niedrigeren Bildrate aufzeichnete. Die zügigen Bewegungen und die zeitweiligen Aktionen, die für das Verhalten der Ruderfußkrebse charakteristisch sind, wurden aber so nicht erfasst. Dank der kompletten 3D-PTV Messung konnte das Team nun die hohe zeitliche Auflösung von bis zu 506fps mit langen Aufnahmezeiten koppeln – für eine verlässliche Beschreibung der Bewegungsabläufe von Ruderfußkrebsen eine entscheidende Anforderung. Nicht zuletzt verbesserte die Anzahl von vier Kameras die Partikel-Detektion und die Effizienz beim Nachvollziehen der Schwimmbahnen, weil beim Stereo-Verfahren stärker auftretende Unklarheiten reduziert wurden. So kann das Team jetzt das Verhalten von Hunderten Ruderfußkrebsen gleichzeitig verfolgen.
Vorteil der Lichtempfindlichkeit
Bei der 3D-PDV Technologie wird die Strömung über kleine, indifferente und schwimmfähige Streupartikel bestimmt. Für eine helle Beleuchtung im Aufnahmebereich wird dabei in der Regel ein Laser verwendet. Allerdings sind Ruderfußkrebse sehr lichtempfindlich und um Temperaturanstiege zu vermeiden, müssen die Experimente mit einer niedrigen Lichteinstrahlung durchgeführt werden. Deshalb hat das Team mit NIR-Licht gearbeitet. Bei diesen Wellenlängen arbeitet der EoSens Sensor mit einem hohen Quantenwirkungsgrad und erlaubt eine relativ hohe Blendenöffnung, eine große Tiefenschärfe und trotz des schwachen Lichts im gesamten Untersuchungsraum eine hohe Bildschärfe. Am meisten profitiert Dr. Michalecs Team von der äußerst hohen Lichtempfindlichkeit der Kamera. So können die Ruderfußkrebse auch bei schwachen Lichtverhältnissen erfasst werden. Ein weiterer Vorteil ist die flexible Handhabung von Bildrate und Aufnahmedauer: „Bei 100Hz können wir eine Stunde aufzeichnen, bei 500Hz zehn Minuten. So können wir die Anzahl der Schwimmbahnen erhöhen und damit gleichzeitig auch einen Großteil ihres Verhaltens entschlüsseln“, so Dr. Michalec.
