Artec Space Spider y cómo medir los cambios en la forma de las aves como respuesta al cambio climático

La candidata al doctorado Sara Ryding escaneando en 3D un galah australiano (Eolophus roseicapilla) con Artec Space Spider (crédito de la imagen: Sara Ryding)

Hace décadas que se viene produciendo uno de los efectos más sorprendentes del calentamiento global: numerosas especies de aves de todo el mundo han reaccionado al aumento de las temperaturas "cambiando de forma", modificando sus picos, patas y otros apéndices, en una lucha desesperada por adaptarse y sobrevivir.

El modo en que esto les ayuda a soportar el calor se explica con la llamada "regla de Allen". Esta regla biológica, descubierta en el siglo XIX, afirma que los animales de los climas más cálidos tienen, en general, apéndices más grandes, como las orejas, los picos, las colas y las extremidades.

Puesto que muchos apéndices no están aislados por el pelo o las plumas, estas estructuras anatómicas actúan como una especie de radiador térmico, que disipa el calor y enfría al animal hasta un nivel más confortable.

Imagen infrarroja que muestra a los flamencos irradiando calor a través de sus picos y patas (crédito de la imagen: Glenn Tattersall)

Los elefantes africanos lo hacen con las orejas; los ratones, con la cola; y los pájaros, con el pico y las patas.

Cómo regulan las aves su temperatura corporal

Si observamos con atención los mecanismos con los que la naturaleza ha dotado a las aves para lograr esta impresionante hazaña termorreguladora, veremos por qué esta estrategia es tan eficaz. En primer lugar, veamos una de las partes más eficaces del termostato corporal de las aves: su pico. Si no se examina detenidamente, se podría creer que el pico de las aves está compuesto de material muerto e inerte, como la corteza de un árbol.

El alto grado de vascularidad del pico de una hembra de cálao de pico amarillo (Tockus leucomelas) del desierto de Kalahari, Sudáfrica (crédito de la imagen: T. van de Ven, UCT)

Más bien, son órganos vivos, extremadamente vascularizados, llenos de vasos sanguíneos ramificados. Por ejemplo, cuando llega la hora de dormir y un pájaro necesita refrescarse, puede inundar su pico con más sangre, dispersando así el exceso de calor corporal y bajando su temperatura central a un nivel más tranquilo.

Obviamente, las aves con picos más grandes en relación con su tamaño corporal logran esta función más eficazmente que sus parientes con picos más pequeños.

Fotografía infrarroja de un frailecillo atlántico (Fratercula arctica) que muestra la disipación del calor (crédito de la imagen: Glenn Tattersall)

A gran escala, en respuesta a la subida de las temperaturas, de generación en generación, los animales pueden aumentar uno o más de estos mismos apéndices en proporción a su tamaño corporal. Como estos cambios afectan a la simetría general de sus cuerpos, el proceso se denomina cambio de forma.

Los secretos del cambio de forma de las aves

En el caso de las aves, estas transformaciones anatómicas son minúsculas y se miden estudiando especímenes de aves recolectadas a lo largo de las décadas del siglo pasado y que ahora se conservan en museos, para poder cuantificar bien como de relevante es este cambio de forma.

Las investigaciones previas se centraban en las pruebas de que este proceso evolutivo tenía lugar en especies individuales o en determinados grupos de aves. Pero la investigación actual abarca casi 6.000 aves que representan 86 especies diferentes, repartidas en 10 tipos de aves.

Escaneo con el Artec Space Spider de un chochín australiano (Malurus cyaneus) (crédito de la imagen: Sara Ryding)

La investigación, dirigida por la candidata al doctorado Sara Ryding, perteneciente a la Universidad de Deakin, en Melbourne (Australia), junto con sus compañeros, se centra en las especies de aves australianas.

Para conseguir el máximo nivel de precisión en la medición de los miles de especímenes de aves que se necesitan para este tipo de estudio, el supervisor de Ryding, el Dr. Matthew Symonds, se decantó por el escaneo 3D como solución.

La investigadora Sara Ryding sosteniendo un milano real australiano (Elanus axillaris) (crédito de la imagen: Sara Ryding)

Tras realizar una minuciosa investigación de todos los éscáneres 3D del mercado, Symonds contactó con el socio local de Artec, Objective3D.

Sus especialistas le presentaron el Artec Space Spider, un escáner 3D portátil de calidad metrológica que es el número uno para investigadores y otros profesionales que demandan la máxima precisión y resolución.

El Artec Space Spider

El método tradicional para detectar cambios de forma en las aves implica el uso de calibres digitales para calcular la longitud, la anchura y la profundidad de los picos de las aves. Después, estas dimensiones se introducen en una ecuación que proporciona a los investigadores la superficie de un cono del mismo tamaño.

Captura de datos de forma 3D no simplificados con Space Spider

Observando el hecho de que los picos de las aves tienen una gran variedad de formas complejas, Ryding afirma: "Al convertir las medidas de un pico en una simple forma cónica, se pierde parte de la geometría, lo que significa que se pierden importantes datos de la superficie anatómica que pueden ser determinantes".

"Me estoy enfocando en aves muy diferentes, desde patos hasta aves canoras, así como aves de rapiña... y al estudiar especies tan diversas, te encuentras con formas de pico muy diferentes. Por eso creo que el escaneo 3D es mucho mejor para este tipo de aplicaciones, ya que captas toda la anatomía de la superficie orgánica."

Preparando la medición del pico de un pardalote estriado australiano con pie de rey digital (crédito de la imagen: Sara Ryding)

Otra de los problemas del método tradicional es el error del operario. Las mediciones realizadas pueden variar de un operador a otro, debido a pequeños cambios en la colocación o apreciación de los instrumentos de medida, lo que puede afectar a los resultados de los datos, incluso teniendo mucha experiencia en mediciones.

Mediciones submilimétricas en cuestión de segundos, escaneo tras escaneo

En palabras de Ryding, “Con el Artec Space Spider, se puede reducir el error del operario al mínimo, ya que casi todos los escaneos son iguales, de una persona a otra. Este es el propósito de todo investigador, eliminar el error. Cuanto mayor sea la precisión del conjunto de datos, más claramente podremos ver las correlaciones, que a su vez nos ayudan a llegar a nuestras conclusiones.”

Hasta ahora, la investigación de Symond ha demostrado que, sólo en el último siglo, los picos de las aves estudiadas han aumentado de tamaño entre un 4% y un 10% aproximadamente.

In En términos de productividad, incluso con los cierres por COVID-19 que limitaron el acceso a su colección de museo a visitas esporádicas, consiguió escanear más de 3.000 aves en el transcurso de varios meses. Su objetivo final son 6.000 aves.

En su jornada de escaneo, Ryding entra en el museo con una o varias especies concretas en mente. Con la ayuda del encargado, encuentra las bandejas de esas especies y empieza a buscar las que va a escanear, dependiendo del año en que se recogió el espécimen, el lugar donde se encontró, etc.

En el caso de los pájaros más pequeños, puede escanear unos 40 o 50 en una tarde. Para aves más grandes, entre 30 y 40.

Captura de pantalla de Artec Studio mostrando un escaneo de Artec Space Spider de un galah australiano sin textura aplicada (crédito de la imagen: Sara Ryding)

El flujo de trabajo de Ryding es sencillo: coloca el ave en una plataforma giratoria, mirando hacia arriba. A continuación, mientras gira el plato lentamente, escanea el ave con Space Spider, capturando toda la anatomía esencial del pico en un solo barrido. Esto le lleva unos dos minutos de principio a fin, y el resultado es un escaneo con una gran cantidad de posibilidades.

Datos 3D precisos que superan a las mediciones manuales

Según Ryding, “Cada escaneo me ofrece datos superficiales más que suficientes para todos mis análisis, e incluso para futuros estudios, como la morfometría geométrica. Con la antigua forma de hacer esto, no habría sido posible capturar estos datos de superficie con tanto detalle, ni tan rápido.

Captura de pantalla de Artec Studio mostrando un escaneo de Artec Space Spider de un galah australiano con textura aplicada (crédito de la imagen: Sara Ryding)

Ryding procesa los escaneos en el programa Artec Studio, en casa o en la universidad. En total, el proceso, completo, requiere sólo 6 minutos para cada pájaro.

Explicó en detalle este paso: "Mi flujo de trabajo de procesamiento de escaneos es el siguiente: Hago un Registro Global, luego elimino los valores atípicos, y luego hago una fusión nítida, que conserva todo, incluso los detalles más pequeños, con total nitidez. Después, aplico la textura, para asegurarme de que puedo ver dónde acaban las plumas y dónde empieza el pico. En ese momento, elimino todo lo innecesario, de modo que sólo quede el pico".

En Artec Studio, aislando el pico de una galah australiana para medirlo (crédito de la imagen: Sara Ryding)

A continuación, Ryding usa la herramienta de medición de Artec Studio para obtener rápidamente medidas lineales del pico, a modo de comprobación de control con respecto a las medidas tomadas el calibre digital.

Y explica su siguiente paso: " Después hago algo que los calibres digitales no pueden hacer: medir la superficie, que mide toda el área del pico, no sólo en una dimensión".

“Space Spider capta cada pequeña curva y recorrido de la anatomía del pico, lo que permite determinar con precisión toda la superficie del mismo, con una precisión milimétrica.”

Ryding explica: " Hago estas mediciones y las uso como están, pero con estos escaneos de Space Spider podría hacer análisis geométricos o morfométricos o exportar los modelos como archivos PLY y usarlos en diferentes aplicaciones".

Escaneo de Artec Space Spider de un melero de Nueva Holanda (Phylidonyris novaehollandiae) (crédito de la imagen: Sara Ryding)

En cuanto a la ampliación de esta investigación más allá de Australia, Ryding confía en que otros investigadores amplíen el conjunto de datos existentes, lo que permitiría cuantificar y comparar con precisión los cambios de forma que se producen en distintas especies de aves (u otros animales) en diferentes zonas, continentes y hemisferios.

El escaneo 3D: imprescindible para el estudio biológico

Desde su punto de vista, el escaneo 3D es imprescindible para lograr ese objetivo de forma fiable: "Si queremos que nuestros estudios sean más fáciles, de científico a científico, es imprescindible disponer de datos precisos y directamente comparables. Ya no basta con las mediciones manuales".

“Con Space Spider, sólo en unos minutos por pájaro, estamos capturando datos submilimétricos de la superficie, junto con datos realistas de la textura, que nos proporcionan todo lo que necesitamos para nuestro trabajo presente y futuro.”

Escaneo con Artec Space Spider de una oropéndola verde australiana (Oriolus flavocinctus) (crédito de la imagen: Sara Ryding)

Para los investigadores que no tienen acceso a escáneres 3D eficaces, Ryding y su equipo están mejorando la fórmula actual (que usa la geometría) para estimar el tamaño del pico en las aves, comparando las estimaciones de la fórmula con mediciones precisas de modelos 3D creados con Space Spider.

Para ello, ha identificado cuáles son las ocho medidas lineales del pico más importantes. A continuación, utilizando algunas de estas medidas y comparándolas con modelos 3D de los mismos especímenes, Ryding creó nuevas fórmulas para mejorar las estimaciones manuales del tamaño del pico.

La investigación de Ryding sigue en marcha en esta dirección, y se prevé crear fórmulas complementarias y abarcar un mayor número de especies.