Artec Space Spider aiuta a misurare il mutamento di forma degli uccelli in risposta al cambiamento climatico

La studiosa Sara Ryding scansiona in 3D di una galah australiana (Eolophus roseicapilla) con Artec Space Spider (crediti fotografici: Sara Ryding)

Uno degli impatti più sorprendenti del riscaldamento globale sta già avendo luogo da decenni: diverse specie di uccelli in tutto il mondo hanno reagito all'aumento delle temperature "cambiando forma", cambiando becchi, gambe e altre appendici, in una disperata lotta per adattarsi e sopravvivere.

Come questo li aiuti a far fronte al caldo è spiegato attraverso una quasi sconosciuta legge chiamata "regola di Allen". Teorizzata nel XIX secolo, questa regola biologica afferma che gli animali nei climi più caldi, in generale, hanno appendici più grandi, come le orecchie, il becco, la coda e gli arti.

Poiché molte appendici non sono isolate da pellicce o piume, queste strutture anatomiche agiscono come una sorta di radiatore termico, per dissipare il calore e raffreddare l'animale.

Immagine a infrarossi che mostra i fenicotteri che irradiano calore attraverso il becco e le gambe (crediti fotografici: Glenn Tattersall)

Alle orecchie degli elefanti africani succede la stessa cosa, così come alle code dei topi e ai becchi e alle zampe degli uccelli.

Come gli uccelli regolano la loro temperatura corporea

Se osserviamo più da vicino come la natura ha attrezzato gli uccelli per raggiungere questa impressionante impresa di termoregolazione, possiamo capire perché questa strategia è così efficace. Prima di tutto, consideriamo una delle parti più efficaci del termostato corporeo di un uccello: il suo becco. A un osservatore distratto potrebbe sembrare che i becchi degli uccelli siano composti da materiale morto e inerte, come la corteccia di un albero.

L'alto grado di vascolarizzazione del becco di un biancospino (Tockus leucomelas) dal deserto del Kalahari, Sudafrica (crediti fotografici: T. van de Ven, UCT)

Sono invece organi viventi, fortemente vascolarizzati, attraversati da una ricca rete ramificata di vasi sanguigni. Ciò è dimostrabile tramite un vivido esempio: quando è il momento di andare a dormire e un uccello ha bisogno di raffreddarsi, può inondare il suo becco di sangue aggiuntivo, disperdendo così il calore corporeo in eccesso, portando così la sua temperatura interna a un livello più confortevole.

Ovviamente, gli uccelli con becchi relativamente più grandi rispetto alla loro dimensione corporea compiono questa impresa in modo più efficace rispetto ai loro cugini con becco più piccolo.

Fotografia a infrarossi di una pulcinella di mare (Fratercula arctica) che mostra la dissipazione del calore in azione (crediti fotografici: Glenn Tattersall)

Su larga scala, in risposta all'accelerazione delle temperature, di generazione in generazione, gli animali possono aumentare una o più di queste stesse appendici in proporzione alle loro dimensioni corporee. Poiché tali cambiamenti influenzano la simmetria generale dei loro corpi, il processo è chiamato mutamento di forma.

I pro e i contro del mutamento di forma aviario

Parlando di uccelli, queste trasformazioni anatomiche sono minime e devono essere misurate esaminando gli esemplari di uccelli raccolti nel corso dei decenni del secolo scorso e ora conservati nei musei, al fine di quantificare efficacemente il grado di mutamento di forma verificatosi.

La ricerca passata si è concentrata sulle prove di questo processo evolutivo che si svolge all'interno di singole specie o di alcuni gruppi di uccelli. Ma la ricerca che si occupa di questo settore della biologia degli uccelli, al giorno d'oggi in rapido sviluppo, sta prendendo in considerazione quasi 6.000 uccelli di 86 specie diverse, distribuite su 10 ordini di uccelli.

Scansione di Artec Space Spider di una superba fata australiana (Malurus cyaneus) (crediti fotografici: Sara Ryding)

La ricerca, condotta dalla studiosa Sara Ryding della Deakin University, a Melbourne, in Australia, insieme ai suoi colleghi, si concentra sulle specie di uccelli australiani.

Al fine di ottenere il massimo livello di precisione nella misurazione delle migliaia di esemplari di uccelli necessari per questo tipo di studio, il supervisore di Ryding, il dottor Matthew Symonds, ha deciso di utilizzare come soluzione la scansione 3D.

La ricercatrice Sara Ryding con in mano un nibbio dalle spalle nere australiano (Elanus axillaris) (crediti fotografici: Sara Ryding)

Dopo aver condotto un'attenta ricerca di tutti gli scanner 3D adatti sul mercato, Symonds ha contattato il suo partner Artec locale Objective3D.

Gli specialisti dell'azienda gli hanno presentato Artec Space Spider, uno scanner 3D portatile di livello metrologico, uno dei preferiti dai ricercatori e da altri professionisti con requisiti rigorosi per la massima precisione e risoluzione.

Artec Space Spider

Il modo tradizionale di rilevare il mutamento di forma negli uccelli richiede l'uso di pinze digitali per calcolare la lunghezza, la larghezza e la profondità dei becchi. Da lì, queste dimensioni sono inserite in un'equazione che dà ai ricercatori la superficie di un cono della stessa dimensione.

Catturare dati di forma 3D integri con Space Spider

Commentando il fatto che il becco di un uccello può avere un'ampia varietà di forme, Ryding ha dichiarato: "Riducendo le misure di un becco a una semplice forma a cono si perderà la sua geometria, e ciò significa perdere importanti dati anatomici sulla superficie che dovrebbero essere registrati".

Ha continuato: "Mi sto concentrando su uccelli davvero diversi, dalle anatre agli usignoli, fino agli uccelli rapaci... e quando stai studiando specie così diverse sei destinato a vedere forme del becco davvero differenti. Ecco perché penso che la scansione 3D sia molto meglio per questo tipo di applicazione, dal momento che stai catturando tutta l'anatomia organica della superficie, e nulla verrà tralasciato."

Prepararsi a misurare il becco di un pardalote australiano striato con pinze digitali (crediti fotografici: Sara Ryding)

Una delle altre difficoltà dell'approccio di misurazione manuale è quella dell'errore dell'operatore. In particolare, ciò significa che le misurazioni effettuate possono variare da ricercatore a ricercatore, a causa del posizionamento leggermente diverso del calibro, con conseguenti variazioni abbastanza significative che influenzeranno i risultati dei dati, anche con le migliori intenzioni ed esperienza.

Misurazioni submillimetriche in pochi secondi, scansione dopo scansione

Secondo le parole di Ryding, "Con Artec Space Spider puoi ridurre l'errore dell'operatore al minimo, poiché quasi ogni scansione è la stessa, da persona a persona. Il sogno di ogni ricercatore. Maggiore è l'accuratezza del set di dati, più chiaramente possiamo vedere le correlazioni, che a loro volta ci aiutano a raggiungere le nostre conclusioni."

Finora, la ricerca di Symond ha dimostrato che, rispetto a poco più di un secolo fa, i becchi degli uccelli studiati sono cresciuti circa del 4-10%.

In termini di produttività, anche con i lockdown dovuti al COVID-19 che limitano l'accesso alla sua collezione museale a visite solo sporadiche, è comunque riuscita a scansionare più di 3.000 uccelli nel corso di diversi mesi. Il suo obiettivo finale sono 6.000 uccelli.

Nei suoi giorni di scansione, Ryding entra nel museo con in mente una o più specie particolari. Con l'aiuto del curatore, trova gli espositori di queste specie e inizia a cercare quali scansionare, a seconda dell'anno in cui è stato raccolto il campione, dove è stato trovato, ecc.

Con gli uccelli più piccoli, può scansionarne circa 40 o 50 in un pomeriggio. Per gli uccelli più grandi, circa 30-40 è un obiettivo più realistico.

Schermata di Artec Studio che mostra una scansione Artec Space Spider di una galah australiana senza texture applicata (crediti fotografici: Sara Ryding)

Il flusso di scansione di Ryding è semplice: posiziona l'uccello su una piattaforma rotante, rivolto verso l'alto, appoggiato quindi di rovescio. Poi, mentre ruota lentamente la piattaforma, scansiona l'uccello con Space Spider, catturando tutta l'anatomia essenziale del becco in un unico passaggio. Ciò richiede circa due minuti dall'inizio alla fine e si traduce in una scansione ricca di possibilità.

Dati 3D affidabili che eclissano le misurazioni manuali

Secondo Ryding, "Ogni scansione mi fornisce dati di superficie più che sufficienti per tutte le mie analisi e anche abbastanza per potenziali ricerche future, come la morfometria geometrica. Pensando al vecchio procedimento, non c'è modo che dei calibri digitali possano catturare anche solo una frazione di questi dati di superficie altamente dettagliati."

Schermata di Artec Studio che mostra una scansione Artec Space Spider di una galah australiana con la texture applicata (crediti fotografici: Sara Ryding)

Ryding elabora le scansioni nel software Artec Studio, a casa o presso la sua università. In tutto, dall'inizio alla fine, ci vogliono circa 6 minuti per ogni uccello.

Ha detto, entrando nel dettaglio di questo passaggio: "Il mio flusso di lavoro di elaborazione della scansione è il seguente: faccio una registrazione globale, quindi una rimozione dei valori animali, seguita da una sharp fusion, mantenendo tutto, anche i più piccoli dettagli, cristallini. Dopodiché, applico la texture, per assicurarmi di poter vedere dove finiscono le piume e inizia il becco. Dopodiché, elimino tutto il superfluo, lasciando nella scansione solo il becco."

In Artec Studio, isolare il becco di una galah australiana per la misurazione (crediti fotografici: Sara Ryding)

Ryding utilizza quindi lo strumento di misurazione di Artec Studio per ottenere rapidamente misurazioni lineari del becco, per avere un punto di riferimento rispetto alle dimensioni misurate tramite i calibri digitali.

Ha spiegato il suo passo successivo: "faccio quello che i calibri digitali non possono fare: una misurazione della superficie, che misura l'intera area del becco, non solo gli aspetti lineari."

"Space Spider cattura ogni minima superficie piana e curva dell'anatomia del becco, il che consente di determinare con precisione la superficie del becco, in una scala al di sotto del millimetro."

Ryding ha anche dichiarato: "prendo queste misurazioni e le uso così come sono, ma se stessi facendo analisi geometriche o morfometriche, cosa che io o un altro ricercatore potremmo fare con queste scansioni di Space Spider, potrei semplicemente esportare i modelli come file PLY e portarli in varie applicazioni per svolgere i compiti necessari."

Artec Space Spider scansiona un melifagide neozelandese (Phylidonyris novaehollandiae) (crediti fotografici: Sara Ryding)

Per quanto riguarda l'ampliamento della portata di questa ricerca ben oltre i confini dell'Australia, Ryding spera che un numero maggiore di ricercatori si aggiunga al pool di dati esistente, consentendo di quantificare e confrontare con precisione il mutamento di forma che ha avuto luogo in varie specie di uccelli (o altri animali) in diverse regioni, continenti ed emisferi.

La necessità imprescindibile della scansione 3D nella ricerca biologica

A suo parere, la scansione 3D è un must per raggiungere in modo affidabile questo obiettivo: "se vogliamo facilitare i nostri studi, da ricercatore a ricercatore, avere dati direttamente comparabili e accurati è fondamentale. Le misurazioni manuali non sono più sufficienti."

Ryding ha continuato: "con Space Spider, in pochi minuti per uccello, stiamo catturando dati di superficie submillimetrici e dettagli realistici, che insieme ci danno tutto ciò di cui abbiamo bisogno per il nostro lavoro presente e futuro".

Artec Space Spider scansione di un oriolo verde australiano (Oriolus flavocinctus) (crediti fotografici: Sara Ryding)

Per i ricercatori che non hanno accesso a scanner 3D efficaci, Ryding e il suo team stanno migliorando la formula esistente (utilizzando la geometria) per la stima della dimensione del becco degli uccelli, confrontando le stime delle formule con accurate misurazioni del modello 3D create con Space Spider.

Ci è riuscita identificando quali delle otto misurazioni lineari del becco sono le più esatte. Quindi, utilizzando alcune di queste misurazioni e confrontandole con modelli 3D degli stessi campioni, Ryding ha ideato nuove formule per migliorare le stime manuali della dimensione del becco.

La ricerca di Ryding in questa direzione è ancora in corso, con piani per formule aggiuntive e copertura estesa di una più ampia gamma di specie.