ضربان بی‌صدای طبیعت

چنین روش‌هایی مطالعات طولانی‌مدت رامحدود می‌کنند ورفتار طبیعی حشرات را مختل می‌سازند. در یک مطالعه آزمایشی که برای نخستین‌بار در جهان انجام شد، محققان دانشگاه استرالیای جنوبی با استفاده از فیلم ویدئویی بندپایان، ضربان قلب‌شان را بدون لمس یا ایجاد مزاحمت برای آنها استخراج کردند. این نوآوری که در مجله Archives of Insect Biochemistry and Physiologyمنتشر شده است،می‌تواند نحوه نظارت دانشمندان برسلامت و سطح استرس بندپایان را متحول کند. این مطالعه یک سیستم ویدئویی غیرتهاجمی را برای استخراج سیگنال‌های قلبی از حشرات با تجزیه و تحلیل حرکات ظریف بدن پیشنهاد می‌دهد. نتایج با داده‌های مرجع به‌دست‌آمده از روش‌های تثبیت‌شده، مطابقت نزدیکی دارد و دقت و امکان‌سنجی سیستم را تایید می‌کند. این نوآوری همچنین پایه‌ای برای توسعه ابزارهای مقرون‌به‌صرفه و غیرتهاجمی فراهم می‌کند که رفاه رفتار طبیعی حشرات را حفظ می‌کند و درعین‌حال فرصت‌های جدیدی را برای تحقیقات اکولوژیکی و فیزیولوژیکی ارائه‌می‌دهد.
   
اهمیت مطالعه بندپایان
بندپایان بزرگ ترین شاخه جانوری هستند که بیش از ۸۰درصد از کل گونه‌های جانوری شناخته شده موجود را تشکیل می‌دهند. درک خواص فیزیولوژیکی اندام‌های بی‌مهرگان مدت‌هاست که مورد مطالعه قرار گرفته است و اغلب با سیستم‌های پستانداران مقایسه می‌شود. هدف از این مقایسه‌ها، کشف علوم کاربردی است که در نهایت می‌تواند به سلامت و پزشکی انسان کمک کند.برخلاف پستانداران، بندپایان دارای یک سیستم گردش‌خون باز هستند که در آن خون (همولنف) حفره بدن (هموکول) را پر می‌کند و آزادانه اندام‌ها و بافت‌های داخلی را شست‌وشو می‌دهد. قلب بندپایان در قسمت بالایی (پشتی) بدن‌شان در شکم قرار دارد. درحالی‌که حرکات تهویه‌ای پستانداران توسط عضلات تنفسی تخصصی هدایت می‌شود، تبادل گاز بندپایان توسط حرکات مارپیچی، با حرکات شکمی و پشتی تسهیل می‌شود. مطالعات، همبستگی بین حرکات تهویه‌ای و ضربان قلب، و همچنین معکوس‌شدن ضربان‌قلب را در بسیاری از گونه‌های حشرات نشان داده‌اند که گویای تعامل پیچیده بین این سیستم‌های فیزیولوژیکی است.
   
چگونگی پژوهش
محققان با استفاده از فیلم‌های گرفته‌شده از تلفن‌های هوشمند، ویدئوهای رسانه‌های اجتماعی و دوربین‌های دیجیتال، از روش‌های پیچیده پردازش سیگنال برای نظارت بر فعالیت قلب مورچه‌ها، زنبورها، کرم‌های ابریشم، عنکبوت‌ها، ملخ‌ها و حشرات چوب‌مانند استفاده کردند.این مطالعه که توسط دانی وانگ، دانشجوی دکترای دانشگاه استرالیای جنوبی و استاد راهنمایش، پروفسور جاوان شال رهبری می‌شود، نشان می‌دهد که حرکات ظریف بدن که توسط دوربین‌های دیجیتال استاندارد یا گوشی‌های هوشمند ثبت می‌شوند، می‌توانند برای آشکارسازی دقیق و جزئی فعالیت قلبی در طیف وسیعی از گونه‌های حشرات مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند.
​​​​​​​برخلاف روش‌های سنتی که نیاز به تماس فیزیکی یا بی‌حرکتی دارند، این تکنیک به حشرات اجازه می‌دهد تا بدون ایجاد اختلال در رفتار طبیعی خود، آزاد بمانند. وانگ می‌گوید: «حشرات برای اکوسیستم‌های ما حیاتی هستند و درک پاسخ‌های فیزیولوژیکی آنها به تغییرات محیطی ضروری است. بااین‌حال، روش‌های موجود برای اندازه‌گیری علائم حیاتی حشرات تهاجمی هستند. روش ما ضمن ارائه بینش‌های دقیق در مورد فعالیت قلب آنها، رفتار طبیعی‌شان را حفظ می‌کند.»
   
یافته‌ها
ضربان قلب استخراج‌شده با محدوده‌های فیزیولوژیکی ثبت ‌شده از طریق تکنیک‌های سنتی مطابقت نزدیکی داشت و دقت سیستم نوین را تایید می‌کرد. بر اساس گفته‌های نویسنده ارشد این مقاله، پروفسور جاوان شال، این سیستم با موفقیت ضربان قلب گونه‌های مختلف حشرات را ثبت کرده و تفاوت‌های فیزیولوژیکی تحت تاثیر عواملی مانند مورفولوژی بال و دما را تشخیص داده است.
پروفسور شال می‌گوید: «از مورچه‌ها با ضربان قلب حدود ۵۰ بار در دقیقه گرفته تا زنبورهایی که ضربان‌شان به ۱۱۹ بار در دقیقه می‌رسد، نتایج ما همواره با مقادیر مرجع تعیین‌‌شده مطابقت دارد. نکته هیجان‌انگیز این است که همه اینها بدون اتصال حسگرها یا ایجاد هرگونه مزاحمت برای حشرات حاصل شده است.»
یکی از چشمگیرترین اعتبارسنجی‌ها از ضبط‌های ضربان قلب کرم ابریشم حاصل شد؛ جایی که تیم پژوهشی، سیگنال‌های قلبی مشتق ‌شده از ویدئوی خود را با داده‌های حسگرهای تماسی مادون قرمز در مطالعات قبلی مقایسه کرد. شکل‌ها و فرکانس‌ها تقریبا یکسان بودند.
   
نکات برجسته پژوهش
این مطالعه همچنین تفاوت‌های جالب بین گونه‌ای را آشکار کرد. برای مثال، ضربان قلب عنکبوت‌ها به‌طور قابل‌توجهی متفاوت بود که نشان‌دهنده تفاوت بین گونه‌ها و نه سطح فعالیت آنها بود، زیرا همه گونه‌ها در طول فیلمبرداری در حالت استراحت بودند.
تکنیک‌های پیشرفته پردازش تصویر، ازجمله الگوریتم‌های ردیابی حرکت و بزرگنمایی، برای تشخیص حرکات کوچک مرتبط با ضربان قلب به کار گرفته شدند. این سیگنال‌ها با استفاده از فیلتر طیفی تجزیه‌وتحلیل‌شده و به داده‌های فرکانسی تبدیل شدند تا ضربان قلب جدا شود.
به گفته پروفسور چاهل، این مطالعه گامی مهم در تحقیقات حشرات است: «نظارت غیرتهاجمی بر قلب، پتانسیل فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌دهد؛ نه‌تنها برای مطالعه سلامت حشرات، بلکه برای درک عوامل استرس‌زای محیطی، اثرات آفت‌کش‌ها یا حتی رفاه حشرات اجتماعی مانند مورچه‌ها و زنبورها؛ جایی که سیگنال‌های قلبی می‌توانند بینش‌هایی در مورد سلامت و رفتار کلونی‌ها ارائه دهند.»
تیم پژوهشی او پیش‌تر از تکنیک مشابهی با دوربین‌های دیجیتال برای استخراج سیگنال‌های قلبی از راه دور در انسان و حیات‌وحش استفاده کرده بود. محققان امیدوارند این سیستم را در عمل آزمایش کرده و با استفاده از یادگیری ماشینی، دقت آن را در انواع مختلف بدن و شرایط نوری بهبود بخشند.
وانگ می‌گوید: «با انجام اصلاحات بیشتر، این نوآوری می‌تواند به ابزاری مقرون‌‌به‌‌صرفه و ارزشمند در جعبه‌ابزار تحقیقات زیست‌محیطی تبدیل شود.چنین ابزارهایی به مااین امکان رامی‌دهد که بدون آسیب‌رساندن به کوچک‌ترین موجودات، به قلب آنها گوش دهیم.»