ผู้สมัครระดับปริญญาเอก Sara Ryding 3D สแกนกาลาห์ของออสเตรเลีย (Eolophus roseicapilla) ด้วย Artec Space Spider (เครดิตรูปภาพ: Sara Ryding)

หนึ่งในผลกระทบที่น่าตกใจที่สุดของภาวะโลกร้อนเกิดขึ้นมานานหลายทศวรรษแล้ว: นกหลายชนิดทั่วโลกมีปฏิกิริยาต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นโดยการ “เปลี่ยนรูปร่าง” เปลี่ยนจะงอยปาก, ขา และอวัยวะอื่น ๆ เพื่อปรับตัวและอยู่รอด

สิ่งนี้ช่วยให้พวกเขารับมือกับความร้อนได้อย่างไรได้รับการอธิบายผ่านการสังเกตที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักที่เรียกว่า “กฎของอัลเลน” กฎทางชีววิทยานี้ถือกำเนิดขึ้นในศตวรรษที่ 19 โดยระบุว่าสัตว์ในสภาพอากาศอบอุ่นโดยทั่วไปจะมีรยางค์ที่ใหญ่กว่า เช่น หู, จะงอยปาก, หาง และแขนขา

เนื่องจากอวัยวะหลายส่วนไม่ได้หุ้มฉนวนด้วยขนสัตว์ โครงสร้างทางกายวิภาคเหล่านี้จึงทำหน้าที่เป็นเครื่องระบายความร้อนชนิดหนึ่ง เพื่อกระจายความร้อนและทำให้สัตว์เย็นลงในระดับที่สบายขึ้น

ภาพอินฟราเรดแสดงนกฟลามิงโกแผ่ความร้อนออกมาทางจงอยปากและขา (เครดิตภาพ: Glenn Tattersall)

ช้างแอฟริกันทำสิ่งนี้โดยใช้หู, หนูใช้หาง และนกใช้จะงอยปากและขา

นกปรับอุณหภูมิร่างกายอย่างไร

หากเราพิจารณาให้ละเอียดยิ่งขึ้นว่าธรรมชาติได้จัดเตรียมอุปกรณ์ให้นกเพื่อให้บรรลุผลสำเร็จในการควบคุมอุณหภูมิที่น่าประทับใจนี้ได้อย่างไร เราจะเห็นได้ว่าทำไมกลยุทธ์นี้จึงมีประสิทธิภาพ ก่อนอื่น เรามาพิจารณาส่วนที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดอย่างหนึ่งของตัวควบคุมอุณหภูมิร่างกายของนก นั่นก็คือ จะงอยปากของมัน คุณอาจจินตนาการว่าจะงอยปากของนกประกอบด้วยวัสดุที่ตายแล้วและเฉื่อยชา เช่น เปลือกไม้บนต้นไม้

ระดับความใหญ่ของปากนกเงือกปากเหลืองใต้ (Tockus leucomelas) เพศเมียจากทะเลทรายคาลาฮารี แอฟริกาใต้ (เครดิตรูปภาพ: T. van de Ven, UCT)

แต่พวกมันเป็นอวัยวะที่มีชีวิต มีหลอดเลือดมาก อุดมไปด้วยเครือข่ายหลอดเลือดแตกแขนง เพื่อนำเสนอตัวอย่างที่เด่นชัดของสิ่งนี้ เมื่อถึงเวลาเข้านอนและนกต้องการระบายความร้อน เธอสามารถเติมเลือดให้ท่วมจะงอยปากของเธอ ซึ่งจะช่วยกระจายความร้อนในร่างกายส่วนเกิน จึงทำให้อุณหภูมิแกนกลางของเธอลดลงสู่ระดับที่สงบมากขึ้น

เห็นได้ชัดว่านกที่มีจะงอยปากค่อนข้างใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับขนาดตัวของพวกมันจะทำสิ่งนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าลูกพี่ลูกน้องที่มีจงอยปากเล็กกว่าของพวกมัน

ภาพถ่ายอินฟราเรดของนกพัฟฟินแอตแลนติก (Fratecula arctica) แสดงการแผ่ความร้อนขณะเคลื่อนไหว (เครดิตภาพ: Glenn Tattersall)

ในระดับกว้าง ในการตอบสนองต่ออุณหภูมิที่เร่งขึ้น จากรุ่นสู่รุ่น สัตว์อาจเพิ่มรยางค์เดียวกันนี้ตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปตามสัดส่วนของขนาดร่างกาย เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวส่งผลต่อความสมมาตรทั่วไปของร่างกาย กระบวนการนี้จึงเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง

ความตื้นลึกหนาบางของการขยับรูปร่างของนก

เมื่อพูดถึงนก การเปลี่ยนแปลงทางกายวิภาคเหล่านี้เป็นเรื่องเล็กน้อย และต้องวัดผลโดยการตรวจสอบตัวอย่างนกที่รวบรวมไว้ในช่วงหลายทศวรรษของศตวรรษที่ผ่านมาและปัจจุบันถูกเก็บไว้ในพิพิธภัณฑ์ เพื่อวัดระดับของการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่เกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การวิจัยที่ผ่านมามุ่งเน้นไปที่หลักฐานของกระบวนการวิวัฒนาการที่เกิดขึ้นภายในนกแต่ละชนิดหรือบางกลุ่ม แต่การวิจัยในปัจจุบันที่ให้ความกระจ่างเกี่ยวกับภาคส่วนชีววิทยานกที่กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วนี้ ครอบคลุมนกเกือบ 6,000 ตัว ซึ่งเป็นตัวแทนของ 86 สายพันธุ์ที่แตกต่างกัน กระจายอยู่ในกลุ่มนก 10 ลำดับ

Artec Space Spider สแกนนกกระจิบออสเตรเลีย (Malurus cyaneus) (เครดิตรูปภาพ: Sara Ryding)

งานวิจัยนี้นำโดยผู้สมัครระดับปริญญาเอก Sara Ryding จาก Deakin University ในเมลเบิร์น ประเทศออสเตรเลีย พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงานของเธอ โดยมุ่งเน้นไปที่สายพันธุ์นกของออสเตรเลีย

เพื่อให้ได้ระดับความแม่นยำสูงสุดในการวัดตัวอย่างนกหลายพันตัวที่จำเป็นสำหรับการศึกษาประเภทนี้ Dr. Matthew Symonds หัวหน้างานของ Ryding ตัดสินใจใช้การสแกน 3D เป็นวิธีแก้ปัญหา

นักวิจัย Sara Ryding ถือเหยี่ยวขาวของออสเตรเลีย (Elanus axillaris) (เครดิตรูปภาพ: Sara Ryding)

หลังจากทำการวิจัยอย่างถี่ถ้วนเกี่ยวกับเครื่องสแกน 3D ที่มีคุณสมบัติเหมาะสมทั้งหมดในตลาด Symonds ได้ติดต่อ Artec หุ้นส่วน Objective3D ในพื้นที่ของเขา

ผู้เชี่ยวชาญของบริษัทได้แนะนำให้เขารู้จักกับ Artec Space Spider ซึ่งเป็นเครื่องสแกน 3D แบบใช้มือถือเกรดมาตรวิทยา ซึ่งเป็นที่ชื่นชอบในหมู่นักวิจัยและมืออาชีพอื่น ๆ ด้วยข้อกำหนดที่เข้มงวดเพื่อความแม่นยำและความละเอียดสูงสุด

Artec Space Spider

วิธีดั้งเดิมในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของนกจำเป็นต้องใช้คาลิปเปอร์แบบดิจิทัลในการคำนวณความยาว, ความกว้าง และความลึกของจะงอยปากนก จากนั้นมิติข้อมูลเหล่านี้จะถูกเสียบเข้ากับสมการที่ทำให้นักวิจัยมีพื้นที่ผิวของกรวยที่มีขนาดเท่ากัน

บันทึกข้อมูลรูปร่าง 3D ที่ไม่ย่อด้วย Space Spider

Ryding ให้ความเห็นเกี่ยวกับข้อเท็จจริงที่ว่าจะงอยปากของนกมีรูปทรงที่ซับซ้อนหลากหลายและกล่าวว่า “การลดขนาดของจะงอยปากลงเหลือแค่รูปทรงกรวยธรรมดา คุณจะสูญเสียรูปทรงเรขาคณิตบางส่วนไป และนั่นหมายความว่าจะงอยปากนกหายไป บนข้อมูลพื้นผิวกายวิภาคที่สำคัญที่ควรบันทึกไว้”

เธอกล่าวต่อว่า “ฉันกำลังจดจ่ออยู่กับนกชนิดต่าง ๆ ตั้งแต่เป็ดไปจนถึงนกขับขาน รวมถึงนกล่าเหยื่อด้วย…และเมื่อคุณศึกษาสายพันธุ์ต่าง ๆ คุณจะต้องเห็นรูปร่างของจะงอยปากที่แตกต่างกันจริง ๆ นั่นเป็นเหตุผลที่ฉันคิดว่าการสแกน 3D นั้นดีกว่ามากสำหรับแอปพลิเคชันประเภทนี้ เนื่องจากคุณกำลังจับภาพกายวิภาคของพื้นผิวที่เป็นธรรมชาติทั้งหมด ดังนั้นจึงไม่มีสิ่งใดตกหล่น”

กำลังเตรียมวัดจะงอยปากนกปากห่างที่มีลายเส้นของออสเตรเลียด้วยคาลิปเปอร์แบบดิจิทัล (เครดิตรูปภาพ: Sara Ryding)

ปัญหาอื่น ๆ อีกประการหนึ่งของวิธีการวัดด้วยตนเองคือข้อผิดพลาดของผู้ปฏิบัติงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หมายความว่าการวัดที่ทำอาจแตกต่างกันไปในแต่ละนักวิจัย เนื่องจากการจัดวางคาลิปเปอร์ที่แตกต่างกันเล็กน้อย ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่มีนัยสำคัญเพียงพอที่จะส่งผลต่อผลลัพธ์ของข้อมูล แม้จะมีความตั้งใจและประสบการณ์ที่ดีที่สุดก็ตาม

การวัด Submillimeter ในไม่กี่วินาที สแกนแล้วสแกนอีก

ในคำพูดของ Ryding “ด้วย Artec Space Spider คุณสามารถลดข้อผิดพลาดของผู้ปฏิบัติงานให้เหลือน้อยที่สุด เนื่องจากการสแกนแทบทุกครั้งจะเหมือนกัน จากคนสู่คน นี่คือสิ่งที่นักวิจัยทุกคนมุ่งหวัง ยิ่งชุดข้อมูลมีความแม่นยำมากเท่าไหร่ เราก็ยิ่งเห็นความสัมพันธ์ได้ชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งช่วยให้เราบรรลุข้อสรุปได้”

จนถึงตอนนี้ การวิจัยของ Symond แสดงให้เห็นว่าในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา จะงอยปากของนกที่กำลังศึกษามีขนาดใหญ่ขึ้นประมาณ 4% ถึง 10%

ในแง่ของประสิทธิภาพ แม้ว่าการล็อกดาวน์จากโควิด-19 จะจำกัดการเข้าถึงคอลเลกชันพิพิธภัณฑ์ของเธอให้เข้าชมได้เป็นครั้งคราวเท่านั้น เธอก็ยังสแกนนกได้มากกว่า 3,000 ตัวในช่วงเวลาหลายเดือน เป้าหมายสูงสุดของเธอคือนก 6,000 ตัว

ในวันสแกนของเธอ Ryding เข้าไปในพิพิธภัณฑ์โดยคำนึงถึงสัตว์บางชนิดหรือมากกว่านั้น ด้วยความช่วยเหลือของภัณฑารักษ์ เธอพบถาดของสายพันธุ์เหล่านี้ และเริ่มค้นหาว่าจะสแกนชิ้นใด โดยขึ้นอยู่กับปีที่เก็บตัวอย่าง, แหล่งที่พบ ฯลฯ

สำหรับนกขนาดเล็ก เธอสามารถสแกนได้ประมาณ 40 หรือ 50 ตัวในบ่ายวันหนึ่ง สำหรับนกขนาดใหญ่ ประมาณ 30 ถึง 40 ตัวเป็นเป้าหมายที่สมจริงกว่า

ภาพหน้าจอของ Artec Studio แสดงการสแกน Artec Space Spider ของกาลาห์ของออสเตรเลียโดยไม่ใช้พื้นผิว (เครดิตรูปภาพ: Sara Ryding)

ขั้นตอนการสแกนของ Ryding นั้นเรียบง่าย เธอวางนกไว้บนแท่นหมุนโดยหงายขึ้น เพื่อให้นกนอนหงาย จากนั้น ขณะหมุนจานหมุนช้า ๆ เธอสแกนนกด้วย Space Spider โดยจับลักษณะทางกายวิภาคของจงอยปากที่จำเป็นทั้งหมดในการกวาดเพียงครั้งเดียว ขั้นตอนนี้ใช้เวลาประมาณ 2 นาทีตั้งแต่ต้นจนจบ และส่งผลให้การสแกนมีความเป็นไปได้มากมาย

ข้อมูล 3D ที่เชื่อถือได้ซึ่งบดบังการวัดด้วยตนเอง

Ryding กล่าวว่า “การสแกนแต่ละครั้งทำให้ฉันมีข้อมูลพื้นผิวมากเกินพอสำหรับการวิเคราะห์ทั้งหมดของฉัน และยังเพียงพอสำหรับศักยภาพในการวิจัยในอนาคต เช่น รูปร่างทางเรขาคณิต เมื่อนึกถึงวิธีการทำแบบเก่า ไม่มีทางที่คาลิเปอร์ดิจิทัลชุดหนึ่งจะสามารถจับภาพพื้นผิวที่มีรายละเอียดสูงนี้ได้แม้แต่เศษเสี้ยวของข้อมูล”

ภาพหน้าจอของ Artec Studio แสดงการสแกน Artec Space Spider ของกาลาห์ของออสเตรเลียพร้อมพื้นผิว (เครดิตภาพ: Sara Ryding)

Ryding ประมวลผลการสแกนในซอฟต์แวร์ Artec Studio ไม่ว่าจะกลับไปที่บ้านหรือที่มหาวิทยาลัยของเธอ สรุปตั้งแต่ต้นจนจบใช้เวลาประมาณ 6 นาทีต่อนกแต่ละตัว

เธอลงรายละเอียดเกี่ยวกับขั้นตอนนี้ว่า “ขั้นตอนการประมวลผลการสแกนของฉันมีดังนี้: ฉันทำการลงทะเบียนส่วนกลาง จากนั้นจึงนำค่าผิดปกติออก ตามด้วยการหลอมรวมที่คมชัด ซึ่งเก็บทุกอย่าง แม้กระทั่งรายละเอียดที่เล็กที่สุดทั้งหมดให้ชัดเจน หลังจากนั้น ฉันใช้พื้นผิวเพื่อให้แน่ใจว่าฉันสามารถเห็นได้ว่าปลายขนและจะงอยปากเริ่มขึ้นจากจุดใด จากจุดนั้น ฉันตัดสิ่งที่ไม่จำเป็นออก เพื่อให้เหลือเฉพาะจะงอยปากเท่านั้นในการสแกน”

ใน Artec Studio กำลังแยกจะงอยปากของกาลาห์ออสเตรเลียเพื่อการวัด (เครดิตรูปภาพ: Sara Ryding)

จากนั้น Ryding ใช้เครื่องมือการวัดของ Artec Studio เพื่อให้ได้การวัดเชิงเส้นของจะงอยปากอย่างรวดเร็ว เป็นประเภทของการควบคุมการตรวจสอบเทียบกับขนาดที่วัดผ่านคาลิเปอร์ดิจิตอล

เธออธิบายขั้นตอนต่อไปของเธอว่า “จากนั้นฉันจะทำสิ่งที่คาลิปเปอร์แบบดิจิทัลไม่สามารถทำได้ นั่นคือการวัดพื้นที่ผิว ซึ่งวัดพื้นที่ทั้งหมดของจงะอยปาก ไม่ใช่แค่ด้านที่เป็นเส้นตรง”

“Space Spider จับทุกการกวาดและเส้นโค้งเล็ก ๆ ของกายวิภาคของจะงอยปาก ซึ่งทำให้สามารถกำหนดพื้นที่ผิวของจะงอยปากได้อย่างแม่นยำ ลงไปต่ำกว่ามิลลิเมตร”

Ryding ให้รายละเอียดเพิ่มเติมว่า “ฉันใช้การวัดเหล่านี้และใช้ตามที่เป็นอยู่ แต่ถ้าฉันทำการวิเคราะห์ทางเรขาคณิตหรือรูปทรงเรขาคณิต ซึ่งฉันหรือนักวิจัยคนอื่นสามารถทำได้ด้วยการสแกน Space Spider ฉันก็สามารถส่งออกแบบจำลองเป็นไฟล์ PLY และ นำพวกเขาไปสู่การใช้งานที่หลากหลายสำหรับการทำงานที่จำเป็นให้สำเร็จ”

การสแกน Artec Space Spider ของนกฮันนีอีตเตอร์ New Holland (Phylidonyris novaehollandiae) (เครดิตภาพ: Sara Ryding)

ในส่วนที่เกี่ยวกับการขยายขอบเขตของการวิจัยนี้ออกไปให้ไกลกว่าพรมแดนของออสเตรเลีย Ryding หวังว่านักวิจัยจำนวนมากขึ้นจะเพิ่มลงในแหล่งข้อมูลที่มีอยู่ ทำให้สามารถหาปริมาณและเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่เกิดขึ้นในสปีชีส์ต่าง ๆ ได้อย่างแม่นยำ นก (หรือสัตว์อื่น ๆ) ทั่วภูมิภาค, ทวีป และซีกโลก

ความจำเป็นที่ขาดไม่ได้สำหรับการสแกน 3D ในการวิจัยทางชีววิทยา

ในความเห็นของเธอ การสแกน 3D เป็นสิ่งที่ต้องมีเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนั้นได้อย่างน่าเชื่อถือ “หากเราต้องการอำนวยความสะดวกในการศึกษาของเรา ตั้งแต่นักวิจัยไปจนถึงนักวิจัย การมีข้อมูลที่แม่นยำและเปรียบเทียบได้โดยตรงนั้นเป็นสิ่งจำเป็น การวัดด้วยมือไม่เพียงพออีกต่อไป”

Ryding กล่าวต่อว่า “ด้วย Space Spider ในเวลาเพียงไม่กี่นาทีต่อนก 1 ตัว เราสามารถบันทึกข้อมูลพื้นผิวในระดับมิลลิเมตรพร้อมกับรายละเอียดพื้นผิวที่เหมือนจริง ซึ่งเมื่อรวมกันแล้วทำให้เรามีทุกสิ่งที่จำเป็นสำหรับงานปัจจุบันและอนาคตของเรา”

Artec Space Spider สแกนออริโอลสีเขียวออสเตรเลีย (Oriolus flavocinctus) (เครดิตภาพ: Sara Ryding)

สำหรับนักวิจัยที่ไม่สามารถเข้าถึงเครื่องสแกน 3D ที่มีประสิทธิภาพ Ryding และทีมงานของเธอกำลังปรับปรุงสูตรที่มีอยู่ (โดยใช้รูปทรงเรขาคณิต) สำหรับการประมาณขนาดจะงอยปากของนก โดยการเปรียบเทียบค่าประมาณของสูตรกับการวัดแบบจำลอง 3D ที่แม่นยำซึ่งสร้างด้วย Space Spider

เธอทำสำเร็จโดยการระบุว่าการวัดจะงอยปากเชิงเส้นแบบแยกจากกันแปดแบบใดที่สำคัญที่สุด จากนั้น ด้วยการใช้การวัดบางส่วนเหล่านี้และเปรียบเทียบกับแบบจำลอง 3D ของตัวอย่างเดียวกัน Ryding ได้คิดค้นสูตรใหม่สำหรับปรับปรุงการประมาณขนาดจงอยปากด้วยตนเอง

การวิจัยของ Ryding ยังคงดำเนินต่อไปในทิศทางนี้ โดยมีแผนสำหรับสูตรเพิ่มเติมและขยายความครอบคลุมของสายพันธุ์ที่กว้างขึ้น