Dlaczego musimy zacząć słuchać owadów

W ciepłe letnie popołudnie w tanzańskiej wiosce Lupiro Mikkel Brydegaard kuca w ceglanej chacie, próbując naprawić zepsuty laser. Obok niego, na wysokim statywie, trzy teleskopy wskazują przez okno na odległe drzewo. Laptop spoczywa na odwróconym pudełku, czekając na sygnał.

powiązana zawartość

• Wykorzystywanie muzyki czy zwierząt? Krótka historia fortepianu dla kotów

Brydegaard mówi mi, że z działającym laserem ten system jest nazywany radarem lidarowym, ale używa lasera zamiast fal radiowych. Konfiguracja ma gromadzić dokładne dane na temat przemieszczania się komarów malarii. Ale kiedy słońce zaczyna zachodzić na zewnątrz, Brydegaard zaczyna się denerwować. On i jego koledzy spędzili tydzień w Tanzanii, a ich urządzenie wciąż nie zaczęło zbierać danych. Już prawie nie ma czasu.

Jutro zaćmienie Słońca przesłoni słońce nad Tanzanią - wydarzenie, które ma miejsce tylko raz na kilka dziesięcioleci tutaj, a Brydegaard i jego zespół z Uniwersytetu Lund w Szwecji, aby zobaczyć tysiące kilometrów. Ich bezpośrednim celem jest sprawdzenie, czy zaćmienie wpływa na zachowanie owadów przenoszących choroby. Ich większą misją jest jednak wykazanie, że lasery mogą zrewolucjonizować sposób badania owadów.

Lidar polega na wystrzeleniu wiązki laserowej między dwa punkty - w tym przypadku między chatą a drzewem. Kiedy owady przelatują przez wiązkę, rozproszą się i odbijają światło z powrotem do teleskopów, generując dane, z których naukowcy mają nadzieję zidentyfikować różne gatunki. W czasach, gdy szkodniki niszczą wystarczającą ilość żywności, aby przetrwać całe kraje - a choroby przenoszone przez owady zabijają setki tysięcy ludzi każdego roku - ten układ wiązek i soczewek może, być może, poprawić miliony istnień ludzkich.

Ale bez działającego lasera podróż do Tanzanii nie będzie się liczyła.

Zespół już prawie się poddał. Kilka dni temu ich dwa lasery o dużej mocy nie zadziałały. „Moją pierwszą myślą było, OK - spakuj wszystko, wracamy”, mówi Brydegaard. „Nigdzie w Tanzanii nie ma części zamiennej.” Gorzko pomyślał o dziesiątkach tysięcy dolarów, które wydali na sprzęt i podróże. Ale potem wszedł do miasta z Samuelem Janssonem, jego doktorantem, i ponad butelkami piwa przewijał kontakty na telefonach. Być może zaczęli myśleć, że w końcu udało się uratować podróż.

*

Lasery mogą być najnowocześniejszym narzędziem do identyfikacji owadów, ale w sercu metody lidar jest elegancka i wielowiekowa zasada entomologii. Prawie każdy gatunek latającego owada, od ćmy przez muszkę do komara, ma unikalną częstotliwość uderzeń skrzydeł. Na przykład komar stygmatosomy samca Culex może bić skrzydłami z częstotliwością 350 herców, podczas gdy samiec Culex tarsalis może mieć 550 herców. Z powodu tych różnic uderzenie skrzydła owada przypomina odcisk palca. W ostatnich latach badania nad uderzeniami skrzydeł przeszły renesans, szczególnie w dziedzinie zdrowia ludzkiego.

Na długo przed laserem lub komputerem myślano o uderzeniu skrzydeł w kategoriach słuchowych, a nawet muzycznych. Uważny słuchacz może dopasować szum muchy do klawisza fortepianu. Dokładnie tak robił Robert Hooke, filozof przyrody w XVII wieku: „Jest w stanie powiedzieć, ile uderzeń mucha wykonuje skrzydłami (tymi muchami, które nucą podczas lotu) dzięki notatce, na którą odpowiada w Musque podczas ich lotu ”, napisał Samuel Pepys, brytyjski urzędnik państwowy i przyjaciel Hooke'a.

Ale fakt, że Hooke polegał na uszach, musiał utrudnić przekazanie jego ustaleń. Wiedzę tradycyjnie dzielono za pomocą prac naukowych, listów i rysunków wzorów, dlatego też entomolodzy zwykle polegali raczej na widzeniu niż na słuchu. „Przez długi czas dziedzina była bardzo, bardzo wąska”, mówi Laura Harrington, entomolog i epidemiolog z Cornell University w stanie Nowy Jork.

Jednak w XX wieku naukowcy zaczęli łamać pleśń. Główną metodą wykrywania uderzeń skrzydeł była metoda wizualna: metoda chronofotograficzna, polegająca na szybkim robieniu zdjęć. Miało to swoje ograniczenia i kilku zagorzałych badaczy uznało, że przewaga słuchowego podejścia Roberta Hooke'a - szczególnie Olavi Sotavalta, entomolog z Finlandii, który miał rzadki dar absolutnej wysokości. Tak jak kompozytor z absolutną wysokością może transkrypować utwór muzyczny za pomocą ucha, tak Sotavalta mógł rozpoznać dokładny ton skrzydeł komara bez pomocy fortepianu.

„Metoda akustyczna umożliwia obserwowanie owadów w locie swobodnym” - napisał Sotavalta w artykule z 1952 r. W Nature . Innymi słowy, ponieważ miał absolutną wysokość, Sotavalta był w stanie obserwować uderzenia skrzydeł nie tylko kamerami w laboratorium, ale także przyrodą, za pomocą swoich uszu. Naukowcy są poinformowani i ograniczeni zmysłami, które wybierają.

Szczególne podejście Sotavalty do badań sugeruje, że pewne naukowe spostrzeżenia pojawiają się, gdy zderzają się odrębne dyscypliny: wykorzystał swoje sprytne ucho nie tylko do identyfikacji gatunków podczas swoich badań, ale także do muzyki. „Miał piękny śpiewający głos” - mówi Petter Portin, emerytowany profesor genetyki, który był kiedyś studentem Sotavalty. Portin pamięta go jako wysokiego, szczupłego mężczyznę, który zawsze nosił niebieski fartuch laboratoryjny.

Artykuły Sotavalty w Bibliotece Narodowej Finlandii to ciekawa kombinacja listów, monografii o zachowaniu owadów i stosów nut. Niektóre z jego kompozycji pochodzą od ptaków i owadów.

Jeden z najdziwniejszych artykułów Sotavalty, opublikowany w Annals of Finnish Zoological Society, dokumentuje w zadziwiający sposób piosenki dwóch konkretnych słowików. Sotavalta słyszał je podczas kolejnych wakacji podczas pobytu w swoim letnim domu w Lempäälä. Sam papier wydaje się suchy, dopóki nie stanie się jasne, że próbuje zastosować teorię muzyki do śpiewu ptaków.

„Piosenka dwóch słowików Sprosser ( Luscinia luscinia L. ) pojawiająca się w ciągu dwóch kolejnych lat została nagrana akustycznie i opatrzona konwencjonalnym zapisem pięciolinii” - napisał.

Następnie znajduje się prawie 30 stron notatek, wykresów i analizy rytmu i tonalności ptaków. Po podkreśleniu podobieństwa między dwiema piosenkami oświadcza: „Ze względu na niewielką odległość między miejscami, w których śpiewali, doszło do wniosku, że być może byli ojcem i synem”. To tak, jakby jego dzieło było poszukiwaniem jakiegoś rodzaju wzoru, jakiegoś muzycznego pomysłu, podzielanego przez członków tego samego gatunku.

Jednak jego praca w „ Nature” była bardziej konsekwentna. Tam Sotavalta opisuje zastosowania swojej „akustycznej metody” identyfikacji owadów za pomocą absolutnej wysokości dźwięku i wysuwa teorie na temat subtelności uderzeń skrzydeł owadów: ile energii zużywa i jak zmienia się w zależności od ciśnienia powietrza i wielkości ciała. Mimo to zaledwie dekady później naukowcy tacy jak Brydegaard potwierdzili znaczenie bicia skrzydeł w badaniach owadów - na przykład komarów przenoszących malarię.

*

W Tanzanii Brydegaard, Jansson i inżynier Flemming Rasmussen nie mają absolutnej wysokości - a nawet gdyby tak, to niewiele by pomogło. W wiosce i wokół niej żyją miliony owadów, które lecą w symfonii, która nigdy się nie kończy.

To, co ci naukowcy mają, zamiast bystrego ucha, to zaawansowany gadżet i dwa zepsute lasery. I ich telefony.

Kiedy lasery zawiodły, zajęło kilka fałszywych początków, aby znaleźć rozwiązanie. Badacz na Wybrzeżu Kości Słoniowej miał działający laser, ale nie było go w USA. Brydegaard zastanawiał się nad wysłaniem zamiennika pocztą, ale wiedział, że - dzięki odprawie celnej i całodniowej jeździe z lotniska w Dar es Salaam - prawdopodobnie nie dotrze na czas zaćmieniem.

W końcu wysłali SMS-a do Frederika Taarnhøja, CEO FaunaPhotonics, ich partnera handlowego, i zapytali, czy rozważy wysłanie naukowca ze Szwecji z zapasowymi laserami. Taarnhøj powiedział „tak”.

Tak więc trio wykonało kilka gorączkowych telefonów i ostatecznie przekonało innego doktoranta, Elin Malmqvist, do wejścia na samolot następnego dnia. Kiedy to zrobiła, trzymała w walizce trzy małe metalowe pudełka.

Jednak saga jeszcze się nie skończyła. Nawet po ogromnym koszcie lotu w ostatniej chwili pierwsza wymiana nie powiodła się: Brydegaard w pośpiechu pomylił anodę z katodą, która spowodowała zwarcie diody laserowej. Drugi laser dawał wiązkę, ale w niewytłumaczalny sposób był tak słaby, że nie nadawał się do użytku.

To ostatni laser, który Brydegaard rozpakowuje teraz, mając nadzieję, że przynajmniej ten zadziała zgodnie z oczekiwaniami. Kiedy przykręca go do statywu, jest już prawie zachód słońca, a jego poruszenie jest wyczuwalne. W ciągu godziny będzie za ciemno, aby skalibrować nawet działający laser. Wszystko jeździ na tym sprzęcie.

*

Laboratorium Laury Harrington w Cornell przypomina trochę restauracyjną kuchnię. To, co przypomina drzwi do zamrażarki, prowadzi do pomieszczenia inkubacyjnego. Jest wilgotny i oświetlony fluorescencyjnymi światłami. Półki są przykryte starannie oznakowanymi pudełkami. Harrington pokazuje mi jaja komara w rodzajach jednorazowych pojemników, w których nosisz zupę. Nad pojemnikami, aby zapobiec ucieczce komarów, jest jakaś siatka - welon ślubny, mówi mi. Ta metoda nie jest całkowicie niezawodna. Kilka komarów uciekło i brzęczą wokół naszych uszu i kostek podczas naszej rozmowy.

Kiedy mówimy o podejściu Sotavalty, Harrington mówi, że „zdecydowanie wyprzedził swój czas”. Nawet w ostatnich latach badacze, którzy myśleli o słuchaniu komarów, nie zdawali sobie sprawy, jak wiele owadów jest w stanie nasłuchiwać. „Przez długi czas naukowcy uważali, że samice komarów są głuche - że w ogóle nie zwracają uwagi na dźwięk” - mówi Harrington.

Ale w 2009 roku Harrington przetestował to wieloletnie założenie. W niecodziennym i skomplikowanym eksperymencie ona i jej koledzy przywiązali komara Aedes aegypti do włosów, zainstalowali mikrofon w pobliżu i umieścili oba w odwróconym akwarium. Następnie wypuścili męskich komarów w zbiorniku i zanotowali wyniki.

Ustalenia zespołu zaskoczyły Harringtona i doprowadziły do ​​przełomu w badaniach nad dźwiękiem i entomologią. Aedes aegypti przeprowadził rodzaj tańca godowego w powietrzu, który miał wszystko wspólnego z dźwiękiem. Samice komarów nie tylko reagowały na odgłosy samców, ale zdawały się także komunikować z własnymi dźwiękami. „Odkryliśmy, że mężczyźni i kobiety śpiewają sobie nawzajem”, mówi Harrington. „Harmonizują się tuż przed kryciem”.

Ta „piosenka godowa” nie jest produkowana przez struny głosowe. Jest wytwarzany przez trzepoczące skrzydła. Podczas normalnego lotu samce i samice komarów mają nieco inne uderzenia skrzydeł. Ale Harrington odkrył, że podczas procesu krycia samce wyrównują częstotliwość uderzeń skrzydeł z częstotliwością samic.

„Uważamy, że kobieta testuje mężczyznę”, wyjaśnia Harrington. „Jak szybko może się zharmonizować”. Jeśli tak, piosenki na komary mogą funkcjonować jak pawie słuchowe. Wydaje się, że pomagają kobietom zidentyfikować najzdolniejszych partnerów.

Mając na uwadze te wyniki oraz niedawny grant Fundacji Billa i Melindy Gatesów, laboratorium Harringtona rozpoczęło opracowywanie nowej pułapki na komary do badań terenowych. Podobne projekty zostały podjęte między innymi przez zespoły z James Cook University w Australii i Columbia University w Nowym Jorku.

Dla badacza istnieją wady pułapek na komary, które obecnie istnieją. Pułapki chemiczne muszą być uzupełniane, podczas gdy pułapki elektryczne zabijają komary; Harrington chce, aby jej nowa pułapka wykorzystała moc dźwięku do przechwytywania żywych okazów w celu monitorowania i badań. Łączyłby ustalone metody przyciągania komarów, takich jak chemikalia i krew, z nagranymi dźwiękami komarów, aby naśladować godową piosenkę. Co ważne, można go wykorzystać do chwytania komarów obu płci.

Historycznie naukowcy koncentrowali się na łapaniu samic komarów, które dwa razy dziennie polują na ssaki, które gryzą - i które mogą przenosić pasożyta malarii (samce tego nie robią). Ale naukowcy zaczęli ostatnio uważać męskie komary za ważną część kontroli malarii. Na przykład jedna aktualna propozycja ograniczenia choroby obejmuje wypuszczenie genetycznie zmodyfikowanych samców, które wytwarzają bezpłodne potomstwo, w celu zmniejszenia populacji komarów przenoszących choroby na danym obszarze.

Harrington ma nadzieję, że pułapka akustyczna - wykorzystująca godową piosenkę, która przyciąga mężczyzn - pomoże stworzyć nowe strategie takie jak ta. „Staramy się naprawdę myśleć nieszablonowo i znaleźć nowe i nowatorskie sposoby kontrolowania tych komarów” - mówi.

*

Po ostatnim laserze Brydegaard naciska przełącznik. Nagle na ekranie laptopa obok statywu pojawia się mała biała kropka. Wszyscy odetchną z ulgą: laser działa.

Zespół - złożony z Brydegaard, Jansson, Malmqvist i Rasmussen - spędza ostatnie 15 minut światła dziennego, skupiając wiązkę światła. Poza kilkoma lokalnymi dziećmi, które krzyczą „ mzungu ” - suahili dla jasnoskórego obcokrajowca - nikt nie wydaje się szczególnie przeszkadzany przez Europejczyków majstrujących przy teleskopach.

Zachód słońca rzuca piękne, miękkie światło na podmokły krajobraz wokół Lupiro, ale oznacza także początek przenoszenia malarii. Gdy ciemność zaczyna padać na chatę, w której ustawiono system lidarowy, wieśniacy wchodzą z pól; słupy dymu powstają z pożarów gotowania. Mieszkańcy tutaj żyją z ryżu: podstawa jest podawana z dwoma posiłkami dziennie, a wzdłuż zakurzonej głównej drogi plewy ryżu gromadzą się jak liście jesienią. Ale pola ryżowe wymagają stojącej wody, a stojąca woda sprzyja komarom malarii. Owady zaczęły już brzęczeć wokół naszych nóg.

Teraz, gdy wokół nas nastał wieczór, system lidarowy wreszcie zaczął rejestrować potok danych. Zespół siedzi w ciemności wokół chaty; generator benzyny nuci na zewnątrz, zasilając laser i komputer. Na ekranie laptopa poszarpana czerwona linia pokazuje szczyty i doliny. Każda z nich, mówi mi Brydegaard, reprezentuje echo z wiązki. Około zmierzchu dziesiątki lub setki owadów mogą przekroczyć promień co minutę. Obserwujemy okres, który entomolodzy nazywają „godziną szczytu” - falą aktywności, która zaczyna się, gdy samice komarów wpadają do wioski i rozpoczynają poszukiwanie pożywienia.

Nicodemus Govella, entomolog medyczny w prestiżowym Tanzańskim Instytucie Zdrowia Ifakara - lokalnym partnerze FaunaPhotonics - widział setki, a nawet tysiące razy wieczorny komar. Wie, jak to jest drżeć i wymiotować, gdy chwyta się pasożyt malarii; wielokrotnie doświadczał objawów. „W dzieciństwie nie mogę policzyć, ile razy” - mówi.

Jeśli epidemiologowie w Tanzanii toczą wojnę z malarią, Instytut Zdrowia Ifakara działa jak ministerstwo wywiadu - śledzi gęstość, rozmieszczenie i czas ukąszeń przez komary malarii. Tradycyjnie, jak mówi Govella, „złotym standardem” nadzoru komarów była metoda zwana połowem do lądowania na ludziach. Jest mało zaawansowany technologicznie, ale niezawodny: ochotnikowi podaje się leki zapobiegające przenoszeniu malarii, a następnie siedzi na zewnątrz z gołymi nogami, pozwalając komarom lądować i gryźć.

Problem polega na tym, że ochrona przed malarią już nie wystarcza. Komary rozprzestrzeniają też zbyt wiele innych chorób, od gorączki denga po Zikę. W rezultacie połowy wyładowane przez ludzi są obecnie powszechnie uważane za nieetyczne. „Daje ci informacje, ale jest bardzo ryzykowne”, mówi Govella. „Inne kraje już go zakazały”. Gdy urzędnicy służby zdrowia wycofują się ze starych strategii nadzoru i kontroli malarii, prace nad technikami eksperymentalnymi nabierają nowego znaczenia - w tym miejscu pojawią się lasery.

W niektórych częściach Tanzanii, częściowo dzięki kołdrom i pestycydom, malaria „ogromnie spadła”, mówi mi Govella. Jednak wyeliminowanie tej choroby okazało się nieuchwytne. Niektóre komary rozwinęły odporność na pestycydy. Podobnie, pościele pomogły kontrolować transmisję nocną - ale komary dostosowały swoje zachowanie, zaczynając gryźć o zmierzchu i świcie, kiedy ludzie nie są chronieni.

W 2008 r. Córka Govelli zachorowała na malarię. Patrząc wstecz, zmienia się zachowanie Govelli; jego precyzyjny język medyczny ustępuje miejsca cichej pasji. „Nie chcę nawet pamiętać” - mówi. „Kiedy dochodzę do tego wspomnienia, naprawdę sprawia mi to wiele bólu”.

We wczesnych stadiach malaria może wyglądać jak zwykłe przeziębienie - dlatego tak ważne jest, aby naukowcy dysponowali narzędziami do śledzenia rozprzestrzeniania się pasożyta i przenoszących go komarów: aby uniknąć błędnej diagnozy. W przypadku jego córki brak informacji okazał się tragiczny. „Ponieważ wkrótce nie został wykryty, osiągnął poziom drgawek”, mówi Govella. Jego córka ostatecznie zmarła z powodu powikłań malarii. Od tego czasu prawie codziennie myślał o eliminacji.

„Nienawidzę tej choroby” - mówi Govella.

*

Trwałość malarii sfrustrowała pokolenia naukowców. Ponad sto lat po odkryciu pasożyta, wciąż dotyka on setki milionów ludzi każdego roku, z czego pół miliona umiera. Harrington ma własne wspomnienia o spustoszeniu spowodowanym przez tę chorobę: w 1998 roku wyjechała do Tajlandii na serię eksperymentów i sama zapadła na malarię. „Byłem jedynym obcokrajowcem w promieniu wielu kilometrów” - mówi. Wraz z nadejściem gorączki Harrington zaczęła rozumieć prawdziwy ciężar choroby, którą badała.

„Mogę sobie wyobrazić siebie jako tajlandzkiego wieśniaka z tymi chorobami” - mówi. Była daleko od najbliższego szpitala i czuła się samotna. „Czułem, że gdybym umarł, może ludzie by się nie dowiedzieli”. W końcu ktoś ją znalazł i wsadził na tył furgonetki. Pamięta, jak pogrążyła się w majaczeniu, wpatrując się w wentylator, który wirował bez końca na suficie. „Widziałam pielęgniarkę ze strzykawką pełną fioletowego płynu” - wspomina. Przypomniało jej to, kiedy przed laty pracowała w klinice weterynaryjnej, która używała fioletowych zastrzyków do uśmiercania chorych zwierząt. „Myślałem, że to już koniec”.

W końcu gorączka pękła i Harrington wiedział, że przeżyje. „Czułam się niesamowicie wdzięczna za swoje życie” - mówi. To doświadczenie uczyniło ją jeszcze bardziej zaangażowaną w badania. „Czułem, że mogłem spróbować poświęcić swoją karierę czemuś, co może ostatecznie pomóc innym ludziom”.

Malaria jest żywym przykładem tego, jak owady zagrażają zdrowiu ludzkiemu - ale istnieje wiele innych sposobów, które mogą wyrządzić szkodę. Owady rozprzestrzeniają także inne choroby mikrobiologiczne. Następnie ma wpływ na rolnictwo. Według Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa szkodniki owadzie niszczą jedną piątą plonów na świecie. Innymi słowy, gdyby światowi rolnicy mieli lepsze sposoby kontrolowania gatunków takich jak szarańcza i chrząszcze, mogliby wyżywić miliony ludzi.

Pestycydy zmniejszają szkody wyrządzane przez owady, ale stosowane bez rozróżnienia mogą również szkodzić ludziom lub zabijać owady, na których polegamy. Jesteśmy głęboko uzależnieni od zapylaczy, takich jak pszczoły, ćmy i motyle, ale raport z 2016 r. Wykazał, że 40 procent gatunków zapylaczy bezkręgowych jest zagrożonych wyginięciem. Właśnie z powodu tego związku miłości i nienawiści z owadami pilnie potrzebujemy lepszych sposobów śledzenia różnych gatunków - lepszych sposobów odróżnienia błędów, które nam pomagają, i błędów, które nas krzywdzą.

*

W dzień zaćmienia, tuż przed południem, na niebieskim niebie nad Lupiro, czarny dysk księżyca przechodzi przed słońcem. Grupa dzieci zebrała się; trzymają w rękach małe płytki ze spawanego szkła, które przynieśli ze sobą skandynawscy naukowcy. Patrząc przez przyciemniane szkło, dzieci widzą zwężający się sierp słońca.

Wioska wokół nas przygasła; nasze cienie stały się mniej wyraźne. Sądząc po świetle, wydaje się, że nadciągnęła nagła burza lub ktoś przygasł przyciemnienie, które sprawiło, że słońce słabło. Naukowcy ze Szwecji wraz ze swoimi partnerami z Instytutu Zdrowia Ifakara i FaunaPhotonics chcą wiedzieć, czy w słabym świetle zaćmienia owady stają się bardziej aktywne, podobnie jak o zmierzchu.

Na ekranie oglądamy czerwone szczyty, które znów się podniosły - nie tyle, ile widzieliśmy o zachodzie i wschodzie słońca, ale bardziej niż zwykle. Istnieje prosty powód, dla którego te dane są ważne: jeśli komary są bardziej aktywne podczas zaćmienia, sugeruje to, że używają światła jako wskazówki, wiedząc, kiedy mrowią się każdego ranka i wieczora przy półmroku wschodzącego i zachodzącego słońca.

Gdy dane napływają, naukowcy opowiadają mi o tym, na co patrzymy. Lidar został pierwotnie opracowany do badania zjawisk na większą skalę, takich jak zmiany w chemii atmosferycznej. Ten system został uproszczony do absolutnego minimum.

Każdy z trzech teleskopów na statywie ma osobną funkcję. Pierwszy kieruje wychodzący laser na drzewo około pół kilometra dalej. Przybita do pnia drzewa jest czarna deska, na której kończy się wiązka. (Aby oczyścić ścieżkę dla lasera, doktorant Jansson musiał przeciąć ścieżkę przez zarośla maczetą).

Gdy owady przelatują przez wiązkę lasera, odbicia odbijają się od urządzenia z ich bijących skrzydeł i są wychwytywane przez drugi teleskop. Trzeci teleskop pozwala zespołowi celować i kalibrować system; całe urządzenie jest podłączone do laptopa, który agreguje dane. Czerwone szczyty tańczące na ekranie przedstawiają owady przechodzące przez wiązkę laserową.

Aby zarejestrować odbicia, które Brydegaard nazywa „echo atmosferycznym”, system lidar rejestruje 4000 migawek na sekundę. Później zespół wykorzysta algorytm do przeczesywania migawek pod kątem częstotliwości uderzeń skrzydeł - odcisku palca każdego gatunku.

Innymi słowy, to urządzenie osiąga za pomocą optyki to, co Olavi Sotavalta osiągnął za pomocą swoich uszu i to, co Harrington osiągnął za pomocą mikrofonu.

Ale w danych lidarowych są pewne szczegóły, których ludzkie ucho nigdy nie mogłoby rozpoznać. Na przykład częstotliwości uderzeń skrzydeł u owadów towarzyszą wyższe harmoniczne. (Harmoniczne nadają bogactwo dźwiękowi skrzypiec; są odpowiedzialne za pierścień rezonansowy wytwarzany przez wyciszony strun gitary.) System lidar może przechwytywać częstotliwości harmoniczne, które są zbyt wysokie, aby ludzkie ucho mogło je usłyszeć. Ponadto wiązki laserowe są spolaryzowane, a gdy odbijają się od różnych powierzchni, zmienia się ich polaryzacja. Ilość zmian może powiedzieć Brydegaardowi i jego współpracownikom, czy skrzydło owada jest błyszczące, czy matowe, co jest również przydatne przy próbie rozróżnienia różnych gatunków.

Gdy ciemny dysk słońca zaczyna znów się rozjaśniać, naukowcy robią zdjęcia i bezskutecznie próbują wyjaśnić, w jaki sposób lasery działają u lokalnych dzieci. Teraz, gdy dane płyną, napięcie, które towarzyszyło konfiguracji systemu lidar, po prostu zniknęło.

Wreszcie wydaje się jasne, że wysoka cena eksperymentu nie będzie daremna. Zespół wydał około 12 000 USD na system lidarowy, nie uwzględniając równie wysokich kosztów transportu i pracy. „To brzmi dużo, stojąc w afrykańskiej wiosce” - przyznaje Brydegaard. Z drugiej strony starsze formy lidar, używane do badania atmosfery, mogą kosztować setki tysięcy dolarów. Tymczasem ciężar malarii zostałby obliczony w miliardach dolarów - gdyby w ogóle można go było obliczyć.

W ciągu kilku godzin jasny okrągły okrąg słońca znów płonie jasno. Kilka godzin później zaczęło się ustawiać.

Ponownie nakładamy spray na robaki, aby odeprzeć komary, które po raz kolejny nadlecą z podmokłych pól wokół Lupiro. Następnie idziemy do miasta na obiad, który jak zwykle obejmuje ryż.

*

Trzy miesiące po eksperymencie zadzwoniłem do FaunaPhotonics, aby dowiedzieć się, jak postępuje ich analiza. Po tym, jak wiele laserów zawiodło, chciałem wiedzieć, czy ostatni dał im wyniki, których potrzebowali.

Powiedzieli, że dane były nieporządne. „W czasie gotowania w powietrzu jest dużo dymu i kurzu”, powiedział Jord Prangsma, inżynier odpowiedzialny za analizę danych, które przyniósł zespół. Dodał, że dane pokazują wyraźne uderzenia skrzydeł. Ale jedną rzeczą jest dostrzec te uderzenia na wykresie. „Powiedzieć komputerowi:„ Proszę, znajdź mi właściwą częstotliwość ”to kolejna sprawa - powiedział. W przeciwieństwie do Sotavalty, która badała osobniki, zespół w Tanzanii zebrał dane od wielu tysięcy owadów. Próbowali analizować wszystkie te bijące skrzydła jednocześnie.

Ale przeszkody nie były nie do pokonania. „Widzimy większą aktywność około południa”, powiedział Samuel Jansson, mówiąc o danych z zaćmienia. To sugeruje, że komary rzeczywiście wykorzystywały światło jako wskazówkę, aby rozpocząć poszukiwanie jedzenia w godzinach szczytu. Prangsma dodał, że opracowany przez niego algorytm zaczyna rozdzielać kluczowe dane. „Z naukowego punktu widzenia jest to bardzo bogaty zestaw danych” - powiedział.

W kolejnych miesiącach FaunaPhotonics nadal robił postępy. „Pomimo początkowych problemów z laserem”, Brydegaard napisał w ostatnim e-mailu, „systemy działały zgodnie z naszymi oczekiwaniami”.

Powiedział, że każdego dnia, gdy system działał, rejestrowali oszałamiające 100 000 obserwacji owadów. „Wskazują na to, że możemy rozróżnić kilka gatunków i klas płciowych owadów” - kontynuował Brydegaard.

Brydegaard wraz ze swoimi kolegami z Uniwersytetu w Lund opublikuje wyniki; FaunaPhotonics, jako jego partner handlowy, zaoferuje swoje urządzenie lidar wraz z ich doświadczeniem analitycznym firmom i organizacjom badawczym, które chcą śledzić owady w terenie. „Jeśli mamy klienta, który jest zainteresowany danym gatunkiem, wówczas nieco dostosujemy algorytm do tego gatunku”, wyjaśnił Prangsma. „Każdy zestaw danych jest unikalny i należy się nim zająć na swój własny sposób”. Niedawno FaunaPhotonics rozpoczęła trzyletnią współpracę z firmą Bayer w celu dalszego rozwijania swojej technologii.

Badanie uderzeń skrzydeł przeszło niesamowicie długą drogę, odkąd Olavi Sotavalta wykorzystał swój absolutny skok do identyfikacji owadów - a jednak pod pewnymi względami praca skandynawskich naukowców niewiele różni się od fińskiego entomologa. Podobnie jak Sotavalta, łączą odrębne dyscypliny - w tym przypadku fizykę i biologię, lidar i entomologię - w celu odkrycia wzorców w naturze. Ale mają jeszcze wiele do zrobienia. FaunaPhotonics i jej partnerzy rozpoczną w kolejnym artykule próbę połączenia kropek między światłem, laserami i komarami. Następnie spróbują wykazać, że badanie częstotliwości uderzeń skrzydłami może pomóc ludziom kontrolować choroby inne niż malaria, a także owady niszczące uprawy.

„To podróż, która nie trwa kilka miesięcy” - powiedział inżynier Rasmussen. „To podróż, która potrwa wiele lat”.

Artykuł ten został po raz pierwszy opublikowany przez Wellcome na stronie Mosaic i jest ponownie opublikowany tutaj na licencji Creative Commons.