Tiere können Farben sehen, die wir nicht sehen können – und neue Technologien ermöglichen uns einen flüchtigen Blick

By | January 23, 2024

Für einen Menschen sieht der Regenbogen anders aus als für eine Biene oder einen Zebrafinken. Dies liegt daran, dass diese Tiere Farben sehen können, die wir Menschen einfach nicht sehen können. Jetzt haben Wissenschaftler eine neue Technik zur Videoaufzeichnung und -analyse entwickelt, um besser zu verstehen, wie die Welt mit den Augen anderer Arten gesehen wird. Die genaue und relativ kostengünstige Methode, beschrieben in einer am 23. Januar veröffentlichten Studie PLOS Biologie, bietet Biologen bereits überraschende Erkenntnisse über das Leben verschiedener Arten.

Der Mensch hat drei Arten von Zapfenzellen in seinen Augen. Dieses Photorezeptor-Trio erkennt typischerweise rote, grüne und blaue Lichtwellenlängen, die sich zu Millionen verschiedener Farben im Wellenlängenspektrum von 380 bis 700 Nanometern verbinden – was wir „sichtbares Licht“ nennen. Einige Tiere können jedoch Licht mit noch höheren Frequenzen sehen, das als ultraviolettes oder UV-Licht bezeichnet wird. Die meisten Vögel verfügen über diese Fähigkeit, ebenso wie Bienen, Reptilien und einige Knochenfische.

Aber es ist schwierig, die Welt in Bewegung mit den Augen dieser Tiere zu dokumentieren. Um ein derart breites Lichtspektrum einzufangen, müssen Kameras auf visuelle Details verzichten. Wissenschaftler können hochauflösende Fotos von mehreren Kameras kombinieren, die auf unterschiedliche Wellenlängen oder Lichteigenschaften abgestimmt sind. Sie können auch Spektrophotometrie verwenden, eine Methode, die auf speziellen Laborgeräten basiert, um viele verschiedene Messungen an einem einzelnen Objekt durchzuführen. Allerdings sind beide Methoden zeitaufwändig und funktionieren nur bei Standbildern, die unter streng kontrollierten Bedingungen aufgenommen wurden. Für Biologen, die das Verhalten von Tieren untersuchen, reichen diese Fotos nicht aus. „Oft ist der Farbwechsel der wichtige oder interessante Teil eines Signals“, sagt die Hauptautorin der Studie, Vera Vasas, eine Biologin, die jetzt an der University of Sussex in England arbeitet.

Um das Sehen von Tieren auf Video festzuhalten, entwickelten Vasas und seine Kollegen ein tragbares 3D-gedrucktes Gehäuse mit einem Strahlteiler, der das Licht in das UV- und das für den Menschen sichtbare Spektrum aufteilt. Die beiden Streams werden von zwei verschiedenen Kameras erfasst. Bei der einen handelt es sich um eine Standardkamera, die Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich erkennt, und bei der anderen handelt es sich um eine modifizierte Kamera, die UV-empfindlich ist. Die UV-empfindliche Kamera allein wäre nicht in der Lage, detaillierte Informationen über den Rest des Lichtspektrums in einem einzigen Foto festzuhalten. Aber zusammen können die beiden Kameras gleichzeitig hochwertige Videos aufnehmen, die einen weiten Bereich des Lichtspektrums abdecken. Anschließend richtet eine Reihe von Algorithmen die beiden Videos aus und erstellt Versionen des Filmmaterials, die die Farben verschiedener Tiere wie Vögel oder Bienen darstellen.

Das Video und die daraus resultierenden Daten sind für wissenschaftliche Forschung nützlich – beispielsweise für Naturschutzarbeiten zur Entwicklung vogelsicherer Fenster oder zur Minimierung der Auswirkungen der Lichtverschmutzung auf Insekten. Das Setup kann auch Falschfarben-Rekonstruktionen der Videos erstellen, die annähernd so aussehen, als hätte man eine solche UV-Sicht.

Eine Spottdrossel aus Vogelsicht. Bildnachweis: „Aufnahme von Videos der natürlichen Welt mit Tieransichten mithilfe eines neuen Kamerasystems und Softwarepakets“, von Vera Vasas et al., in PLOS Biology, Bd. 22, Nr. 1. Online veröffentlicht am 23. Januar 2024 (CC BY 4.0). )

Die Videoaufnahme auf diese Weise „füllt eine wirklich wichtige Lücke in unserer Fähigkeit, das Sehvermögen von Tieren zu modellieren“, sagt Jolyon Troscianko, ein visueller Ökologe an der University of Exeter in England, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war. Er stellt fest, dass sich in der Natur „viele interessante Dinge bewegen“, wie zum Beispiel Tiere, die Paarungstänze oder schnelle Verteidigungsvorführungen durchführen. Bisher blieben Forscher, die diese dynamischen Verhaltensweisen untersuchen, bei der menschlichen Perspektive.

Die neue Strategie ist nach dem Goldstandard der Spektrophotometrie kalibriert und getestet und bietet nahezu die gleiche Genauigkeit bei deutlich weniger Aufwand. „Es ist überraschend genau“, sagt Vasas. Die Technik deckt bereits unsichtbare Phänomene in der Natur auf, fügt sie hinzu: Durch die Aufnahme einer schillernden Pfauenfeder, die sich unter Licht dreht, haben Forscher beispielsweise Farbveränderungen festgestellt, die bei anderen Pfauen noch lebendiger sind als bei Menschen. Vasas und seine Kollegen hielten auch den kurzen Erstaunensbeweis einer schwarzen Schwalbenschwanzraupe fest und sahen zum ersten Mal, dass ihre hornartigen Abwehrfortsätze UV-reflektierend sind.

Die räuberfeindliche Darstellung einer Raupe, gesehen von einer Biene.
Die räuberfeindliche Darstellung einer Raupe, gesehen von einer Biene. Bildnachweis: „Aufnahme von Videos der natürlichen Welt mit Tieransichten mithilfe eines neuen Kamerasystems und Softwarepakets“, von Vera Vasas et al., in PLOS Biology, Bd. 22, Nr. 1. Online veröffentlicht am 23. Januar 2024 (CC BY 4.0). )

„Keines dieser Dinge waren Hypothesen, die wir im Voraus hatten“, sagt Vasas. „Ich denke, es wird eine Menge Dinge offenbaren, die ich mir noch nicht vorstellen kann.“

Die Replikation des Systems von Grund auf mit 3D-gedruckten Materialien und leicht erhältlichen kommerziellen Teilen würde nur ein paar tausend Dollar kosten, schätzt der leitende Studienautor Daniel Hanley, Assistenzprofessor für Biologie an der George Mason University. Das System des Teams ermöglicht nicht nur Videoaufnahmen, sondern ist auch viel günstiger als andere Kameras, die für die Erfassung von UV-Licht konzipiert sind, sagt er. Darüber hinaus, fügt Hanley hinzu, hätten bestehende Kameras eine geringere Auflösung als die neue Technik.

Auch andere Forscher sind bestrebt, die Methode auszuprobieren. „Ich kann es kaum erwarten, die Videokamera in die Hände zu bekommen“, sagt Eunice Jingmei Tan, Assistenzprofessorin für Ökologie und Evolutionsbiologie an der National University of Singapore. Tan untersucht die Farben und das Signalverhalten von Spinnen und Insekten in den Wäldern Südostasiens. Derzeit arbeitet sie daran, die „Bewegungsmaskierung“ zu verstehen, also die Art und Weise, wie sich einige Arthropoden vor Raubtieren verstecken, indem sie die Farbe und Bewegung ihrer Umgebung anpassen. Das neue Setup könnte eine große Hilfe sein, sagt Tan, wenn sie es replizieren kann.

Es gibt einige Einschränkungen: Das Kamerasystem muss manuell fokussiert werden und hat eine begrenzte Bildrate, sodass es schwierig wäre, besonders schnelle Kreaturen zu verfolgen, bemerkt Tan. Auch schlechte Lichtverhältnisse stellen eine Herausforderung dar, fügt Hanley hinzu. Und die Methode erfasst in ihrem aktuellen Zustand nicht alle Aspekte des Tiersehens. Viele Tiere sehen beispielsweise polarisiertes Licht oder Licht im Infrarotspektrum, für dessen Wahrnehmung das System angepasst werden müsste, sagt er.

Dennoch hoffen die Forscher, dass die Technik einen einzigartigen Blick auf die Tierwelt ermöglichen wird. Es gibt einen Regenbogen an Möglichkeiten – und jetzt können wir ihn etwas klarer visualisieren.

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