Wie Artec Space Spider hilft, die Formveränderung von Vögeln als Reaktion auf den Klimawandel zu messen

Doktorandin Sara Ryding beim 3D-Scannen eines australischen Galah (Eolophus roseicapilla) mit Artec Space Spider (Bildnachweis: Sara Ryding)

Eine der verblüffendsten Auswirkungen der globalen Erwärmung ist bereits seit Jahrzehnten zu beobachten: Mehrere Vogelarten auf der ganzen Welt reagieren auf die steigenden Temperaturen mit einer „Formveränderung“, das heißt sie verändern ihren Schnabel, ihre Beine und andere Gliedmaßen in einem verzweifelten Kampf um Anpassung und Überleben.

Wie dies ihnen hilft, mit der steigenden Hitze zurechtzukommen, wird durch einem bisher wenig bekannten wissenschaftlichen Satz, der „Allen'sche Regel“, beschreiben. Diese im 19. Jahrhundert aufgestellte biologische Regel besagt, dass Tiere in wärmeren Klimazonen im Allgemeinen größere Gliedmaßen, wie Ohren, Schnäbel, Schwänze und Beine, haben.

Da viele Gliedmaßen nicht durch Fell oder Federn isoliert sind, fungieren diese anatomischen Strukturen als eine Art Wärmestrahler, der die Wärme ableitet und das Tier auf ein angenehmeres Niveau abkühlt.

Infrarotbild, das zeigt, wie Flamingos durch ihre Schnäbel und Beine Wärme abstrahlen (Bildnachweis: Glenn Tattersall)

Afrikanische Elefanten tun dies mit ihren Ohren, Mäuse mit ihren Schwänzen und Vögel mit ihren Schnäbeln und Beinen.

Wie Vögel ihre Körpertemperatur regulieren

Wenn wir uns genauer ansehen, wie die Natur die Vögel für diese beeindruckende Leistung der Wärmeregulierung ausgestattet hat, können wir erkennen, warum diese Strategie so effektiv ist. Betrachten wir zunächst einen der effektivsten Teile des „Körperthermostats“ eines Vogels: seinen Schnabel. Wenn man nicht genau hinsieht, könnte man meinen, dass der Schnabel eines Vogels aus totem, trägem Material, wie die Rinde eines Baumes, besteht.

Hoher Grad der Vaskularität des Schnabels eines weiblichen Südlichen Gelbschnabeltoko (Tockus leucomelas) aus der Kalahari-Wüste, Südafrika (Bildnachweis: T. van de Ven, UCT)

Vielmehr handelt es sich um lebende Organe, die mit einem weit verzweigten Netz von Blutgefäßen ausgestattet sind. Ein anschauliches Beispiel: Wenn es Zeit ist, schlafen zu gehen, und ein Vogel sich abkühlen muss, kann er seinen Schnabel mit zusätzlichem Blut fluten, so die überschüssige Körperwärme ableiten und seine Kerntemperatur auf ein erholsames Niveau senken.

Es liegt auf der Hand, dass Vögel mit vergleichsweise größeren Schnäbeln im Verhältnis zu ihrer Körpergröße dieses Kunststück effektiver bewerkstelligen als ihre Verwandten mit kleineren Schnäbeln.

Infrarotaufnahme eines Papageientauchers (Fratercula arctica), die die Wärmeableitung in Aktion zeigt (Bildnachweis: Glenn Tattersall)

Im Großen und Ganzen können die Tiere als Reaktion auf die steigende Temperaturen von Generation zu Generation eines oder mehrere dieser Anhängsel im Verhältnis zu ihrer Körpergröße vergrößern. Da sich solche Veränderungen auf die allgemeine Symmetrie ihrer Körper auswirken, wird dieser Prozess auch als Gestaltwandel bezeichnet.

Die Besonderheiten der Gestaltwandlung von Vögeln

Bei Vögeln sind diese anatomischen Veränderungen winzig und müssen anhand von Vogelpräparaten gemessen werden. Solche Präparate wurden im Laufe des letzten Jahrhunderts gesammelt und werden heute in Museen aufbewahrt, um den Grad der Formveränderung effektiv quantifizieren zu können.

Die bisherige Forschung konzentrierte sich auf den Nachweis dieses evolutionären Prozesses innerhalb einzelner Arten oder bestimmter Vogelgruppen. Aktuelle Forschung, die diesen sich rasch entwickelnden Bereich der Vogelbiologie beleuchtet, umfasst jedoch fast 6.000 Vögel, die 86 verschiedene Arten aus 10 Vogelordnungen repräsentieren.

Scan von Artec Space Spider eines australischen Prachtzaunkönigs (Malurus cyaneus) (Bildnachweis: Sara Ryding)

Die von der Doktorandin Sara Ryding von der Deakin University in Melbourne, Australien, und ihren Kollegen geleitete Forschung konzentriert sich auf australische Vogelarten.

Um bei der Vermessung der Tausenden von Vögeln, die für diese Art von Studie benötigt werden, ein Höchstmaß an Genauigkeit zu erreichen, entschied sich Rydings Doktorvater Dr. Matthew Symonds für das 3D-Scannen als technische Lösung.

Forscherin Sara Ryding hält einen Australische Gleitaar (Elanus axillaris) (Bildnachweis: Sara Ryding)

Nach einer sorgfältigen Untersuchung aller geeigneten 3D-Scanner auf dem Markt wandte sich Symonds an den lokalen Artec Partner Objective3D.

Die Spezialisten des Unternehmens zeigten ihm Artec Space Spider, einen tragbaren 3D-Scanner in metrologischer Qualität, der bei Forschern und anderen Fachleuten mit hohen Anforderungen an Genauigkeit und Auflösung sehr beliebt ist.

Artec Space Spider

Die herkömmliche Methode zur Feststellung von Formveränderungen bei Vögeln erfordert die Verwendung digitaler Messschieber zur Berechnung der Länge, Breite und Tiefe von Vogelschnäbeln. Diese Maße werden dann in eine Gleichung eingesetzt, die den Forschern die Oberfläche eines gleich großen Kegels liefert.

Erfassen von ungekürzten 3D-Formdaten mit Space Spider

Mit Blick auf die Tatsache, dass Vogelschnäbel eine Vielzahl komplexer Formen aufweisen, sagt Ryding: „Wenn man die Messungen eines Schnabels auf eine einfache Kegelform reduziert, geht ein Teil der Geometrie verloren, und das bedeutet, dass man wichtige anatomische Oberflächendaten verpasst, die aufgezeichnet werden sollten.“

Sie erklärt weiter: „Ich konzentriere mich auf ganz unterschiedliche Vögel, von Enten über Singvögel bis hin zu Raubvögeln... und wenn man so unterschiedliche Arten untersucht, sieht man zwangsläufig auch ganz unterschiedliche Schnabelformen. Deshalb denke ich, dass 3D-Scans für diese Art von Anwendung viel besser geeignet sind, da man die gesamte organische Oberflächenanatomie erfasst und dabei nichts ausgelassen wird.“

Vorbereitung auf die Messung des Schnabels eines australischen Perlhuhns mit einem digitalen Messschieber (Bildnachweis: Sara Ryding)

Eine weitere Schwierigkeit bei der manuellen Messung ist der menschlicher Faktor. Konkret bedeutet dies, dass die vorgenommenen Messungen von Forscher zu Forscher aufgrund einer geringfügig unterschiedlichen Platzierung des Messschiebers variieren können, was selbst bei bester Absicht und Erfahrung zu erheblichen Abweichungen, welche die Ergebnisse der Daten beeinflussen können, führt.

Submillimeter-Messungen in Sekunden, Scan für Scan

Ryding: „Mit Artec Space Spider können Sie Bedienerfehler auf ein Minimum reduzieren, da fast jeder Scan gleich wird. Das ist das Ziel eines jeden Forschers. Je größer die Genauigkeit des Datensatzes ist, desto deutlicher können wir Korrelationen erkennen, die uns wiederum helfen, unsere Schlussfolgerungen zu ziehen.“

Bisher haben Symonds Forschungen gezeigt, dass die Schnäbel der untersuchten Vögel allein im letzten Jahrhundert um etwa 4 bis 10 % größer wurden.

Trotz der Einschränkungen wegen COVID-19, welche den Zugang zu ihrer Museumssammlung auf sporadische Besuche beschränkten, gelang es der Forscherin, im Laufe mehrerer Monate mehr als 3.000 Vögel zu scannen. Ihr endgültiges Ziel sind 6.000 Vögel.

An den Tagen, an denen sie scannt, geht Ryding mit einer oder mehreren bestimmten Arten im Kopf ins Museum. Mit Hilfe des Kurators findet sie die Fächer mit den gewünschten Arten und beginnt mit der Suche nach den zu scannenden Exemplaren, – je nachdem, in welchem Jahr das Exemplar gesammelt wurde, wo es gefunden wurde und so weiter.

Bei kleineren Vögeln kann sie an einem Nachmittag etwa 40 bis 50 Stück scannen. Bei größeren Vögeln sind etwa 30 bis 40 ein realistischeres Ziel.

Der Screenshot von Artec Studio zeigt einen Scan von Space Spider eines australischen Galahs ohne Textur (Bildnachweis: Sara Ryding)

Rydings Arbeitsablauf beim Scannen ist einfach: Sie legt den Vogel auf einen Drehteller, mit dem Gesicht nach oben, so dass das Tier auf dem Rücken liegt. Dann scannt sie den Vogel bei langsamer Drehung des Drehtellers mit Space Spider und erfasst dabei in einem einzigen Durchgang die gesamte Schnabelanatomie. Dies dauert von Anfang bis Ende etwa zwei Minuten und ergibt einen Scan, der vielfältig genutzt werden kann.

Zuverlässige 3D-Daten, die manuelle Messungen in den Schatten stellen

Ryding: „Jeder Scan liefert mir mehr als genug Oberflächendaten für alle meine Analysen und sogar genug für weitere Forschungszwecke, wie etwa die geometrische Morphometrie. Wenn ich an die alte Vorgehensweise denke, so gäbe es keine Möglichkeit, mit einem Satz digitaler Tasterzirkel auch nur einen Bruchteil dieser hochdetaillierten Oberflächendaten zu erfassen.“

Screenshot von Artec Studio mit einem Scan von Artec Space Spider eines australischen Galahs mit aufgetragener Textur (Bildnachweis: Sara Ryding)

Ryding verarbeitet die Scans in der Software Artec Studio, entweder zu Hause oder an ihrer Universität. Alles in allem dauert der Vorgang von Anfang bis Ende für jeden Vogel nur etwa 6 Minuten.

Die Forscherin geht ausführlich auf diesen Schritt ein: „Mein Arbeitsablauf bei der Scanverarbeitung sieht folgendermaßen aus: Ich führe eine globale Registrierung durch, dann entferne ich Ausreißer, gefolgt von einer scharfen Fusion, bei der alles, auch die kleinsten Details, klar zu erkennen bleiben. Danach wende ich die Textur an, um sicherzustellen, dass ich sehen kann, wo das Gefieder endet und der Schnabel beginnt. Ab diesem Punkt schneide ich alles Unnötige weg, so dass nur noch der Schnabel im Scan übrig bleibt.“

In Artec Studio wird der Schnabel eines australischen Galahs für die Messung isoliert (Bildnachweis: Sara Ryding)

Ryding verwendet dann das Messwerkzeug von Artec Studio, um schnell lineare Messungen des Schnabels zu erhalten, – als eine Art Kontrollprüfung gegenüber den mit den digitalen Messschiebern gemessenen Abmessungen.

Sie erklärt ihren nächsten Schritt: „Dann mache ich das, was ein digitaler Messschieber nicht kann: eine Oberflächenmessung, die die gesamte Fläche des Schnabels misst, nicht nur die linearen Aspekte.“

„Space Spider erfasst jede winzige Wölbung und Krümmung der Schnabelanatomie, wodurch es möglich ist, die Oberfläche des Schnabels bis auf einen Millimeter genau zu bestimmen.“

„Wenn ich jedoch geometrische oder morphometrische Analysen durchführen möchte, was ich oder ein anderer Forscher mit diesen Space Spider Scans tun könnte, könnte ich die Modelle einfach als PLY-Dateien exportieren und sie in verschiedene Anwendungen übernehmen, um die erforderlichen Aufgaben zu erfüllen”, so Ryding weiter.

Scan von Artec Space Spider eines Weißaugen-Honigfresser (Phylidonyris novaehollandiae) (Bildnachweis: Sara Ryding)

Ryding hofft, dass weitere Forscher den bestehenden Datenpool erweitern werden, um die Formveränderung verschiedener Vogelarten (oder anderer Tiere) über Regionen, Kontinente und Hemisphären hinweg genau quantifizieren und vergleichen zu können.

Unverzichtbarkeit von 3D-Scans in der biologischen Forschung

Rydings Meinung nach ist das 3D-Scannen ein Muss, um das Ziel der Forschung zuverlässig zu erreichen: „Wenn wir unsere Studien von Forscher zu Forscher erleichtern wollen, sind direkt vergleichbare, genaue Daten unabdingbar. Manuelle Messungen sind nicht mehr ausreichend.“

Ryding weiter: „Mit Space Spider erfassen wir in nur wenigen Minuten pro Vogel Oberflächendaten im Submillimeterbereich zusammen mit realistischen Texturdetails, die uns alles liefern, was wir für unsere aktuelle und zukünftige Arbeit brauchen.“