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可测量动物能量水平的传感器
鱼类是否会因养殖系统的变化而受到影响?如何才能知道野生动物种群的栖息地是否遭到破坏?得益于传感器的应用,如今科学家们能够更好地回答这些问题。在不久的将来,传感器技术将为畜牧业生产、鱼类养殖和野外观测提供各种有益帮助。
生存需要能量,而食物是人们所需能量的来源。对于动物来说,食物通常是稀缺资源,因此有效控制能量消耗是生物个体生存的关键。例如,如果动物需要不断逃离危险,或必须应对疾病或恶劣的生活条件,那么其能量消耗就会增加。相反,动物所需的能量越少,用于生长和繁殖的能量就越多。气候变化、污染、病原体和对栖息地干扰等因素都会影响其能量消耗。
即使是周边环境的微小变化也会影响动物对能量的利用效率。生态毒理学家Edwin Foekema解释道,“这会延缓养殖鱼类和农场家畜的生长,降低它们的抵抗力,但这种情况不会立即显现出来。”
“在野外,由于栖息地缩小或污染等原因导致能量利用模式长期中断,也会使动物个体体质下降。通常这一过程持续一段时间后,我们才能利用目前的监测手段发现其变化。”因此,在采取正确措施前,我们需要进行更多的研究来发现原因。
使用传感器获取能量管理信息
如果能尽早发现问题,我们就能节省时间,减少生态破坏对动物的负面影响。传感器可以在这方面提供帮助。Foekema说,“传感器可以及时提供有关动物能量利用和受到干扰的信息,以便养鱼户或自然管理者更快地采取行动,以解决干扰所造成的影响。”
获取动物和人类健康数据的传感器技术正在快速发展,例如,人们佩戴的用于跟踪心率和活动的智能手表很受欢迎。目前,研究人员将已经上市的传感器用于贻贝和鱼类的监测。这些传感器能够让科学家同时测量动物运动、心率、呼吸和食物摄入等参数。
为了监测贻贝,研究人员在贻贝的外壳上钻一个小孔,并插入微小的传感器来测量内部的氧气水平。如果贻贝离开水面,或者水被污染,贻贝就会关闭外壳来保护自己。Foekema说,“我们最初认为,贻贝关闭外壳后会有足够的氧气维持一段时间,但现在我们发现,氧气在几分钟后就会耗尽,所以贻贝几乎需要立即切换到无氧呼吸。”这种呼吸效率较低,而且不能长时间维持。
研究人员利用游泳通道对鱼类进行研究,在越来越快的流速中,用鱼身上的传感器测量它们的心率和活动,同时,研究人员还对鱼类的耗氧量进行测量,并对它们的游泳行为进行分析。结合不同的测量方法,研究人员能够更多地了解周围环境变化是如何影响鱼类能量消耗的。Foekema说,“我的同事Arjan Palstra是鱼类研究的负责人,他正在与挪威研究人员合作,研究如何直接测量鱼类血液中的血氧分压。我们还与特温特大学的研究人员合作,设计了一种生物芯片来测量血液中的细胞因子。”细胞因子可以揭示动物是如何进行能量管理的。
数字孪生
目前,研究人员正在采取初步措施,将收集到的每只动物的数据整合到一个 “数字孪生” 的计算机模型中。这是一种有关动物的虚拟模型,它使用传感器数据来显示动物在特定时间使用了多少能量,以及用于进行什么活动。瓦赫宁根大学及研究中心的研究人员对鱼类和贝类。以及奶牛等家畜进行了此类测量。Foekema表示,“所有物种的数据都大致相同,这将成为我们今年开始联合开发各种动物的‘数字孪生’计算机模型的基础。”
最初该系统仅用于实验室或农场中的动物,但我们的最终挑战是开发出相关技术,使其能够广泛用于各种野生物种。Foekema表示,“我们更希望只用一个传感器就能同时进行大量测量。”对贝类的测量相对容易,因为它们几乎不动,将传感器连接到贝壳上也不难。
许多其他物种正在面临更大的挑战。“我们不想让这些动物受到传感器的干扰,我们需要找到在现场收集数据的解决方案。如果我们能做到这一点,这项研究将为保护濒危物种提供有价值的信息。例如,我们可以发现一条鱼在克服其迁徙路线上的障碍时,会损失多少能量;一只蝙蝠在遇到风力涡轮发电机时,其能量消耗会发生什么变化;以及为什么某些物种比其他物种更能应对气候变化。”