最新激光扫描技术:海洋中最怪异的生物,现以“惊人的”细节呈现

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长久以来,深深的海洋底层的奇异生活,对人类的观看、学习和研究来讲,一直是一个挑战,海底生物生活在漆黑的黑暗中、冰冷的温度里、以及承受巨大的压力。自然选择的结果使这些生物身体部位奇特、结构杂乱无章。按照人类标准,这些生物俨然犹如外星生物。

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现在,一种新型的激光扫描摄影,正在照亮这些最超凡脱俗的生命形式。深海渊里的陌生的生物软体,由像水母似的黏液状和胶状材料制成,它们具有半透明部件和黏糊结构的迷宫,包括长丝、黏液、外壳和用于收集食物的细孔过滤器。最近,在西澳大利亚州的深处,科学家拍摄了一种胶状类型的虹管水母(学名:Siphonophorae),其长度达45米,这是目前世界上最长的海洋生物。

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有了这种新的激光扫描摄影工具,海洋生物学家就可以对海洋中一些最怪异、最神秘的生物进行精细梳理。如下图所示的海底尾鱼(学名:larvacean)三维(3D)重建及其内部复杂结构。

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这一最新激光扫描摄影技术论文,题为:“使用DeepPIV揭示深海中的神秘黏液结构”,发表在最近一期的《自然》杂志上。

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该论文描述了一种用于研究这些半透明生物的成像设备,它发出一束细小的扇形激光,扫过生物,从内部流和组织中收集反向散射的光线,然后将这些信息收集馈送到计算机中,从而以视觉方式细微地重建生物。该设备称为DeepPIV成像系统,可以像对人体的CT扫描一样显露内部。

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DeepPIV,英文全称:Deep Particle Image Velocimetry的简称,译为:深度粒子图像测速仪。粒子图像测速技术(PIV)是一种流动可视化的光学方法,用于获取流体中的瞬时速度测量值和相关属性。流体中填充了示踪颗粒,带有颗粒的流体被照亮从而颗粒可见。示踪粒子的运动用于计算所研究流的速度和速度场方向。

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典型的PIV装置包括一台照相机、频闪仪或激光器,其光学装置可限制照明的物理区域,通常为圆柱透镜,可将光束转换为直线,一个同步器,用作控制照相机和激光器,种子粒子和所研究流体的外部触发器。光纤电缆或液体光导可以将激光器连接到镜头装置。 PIV软件用于对光学图像进行处理。通过人工智能的深度学习技术对光学图像进行处理,即称为深度粒子图像测速(DeepPIV)。

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如下图所示巨型海底有尾鱼的内部和外部轮廓(左侧),以及DeepPIV成像系统的激光和照相机(右下侧)。

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从事这项研究的海洋生物学家布鲁斯·罗宾逊(Bruce Robison)说:“这真是惊人。” “这将以一种非常好的方式来解决问题。”这项新技术将有助于揭示粘黏的动物如何进行移动、觅食、繁殖和保护自己。“现在,我们有了一种可视化这些结构的方法,我们终于可以了解它们的功能了。”

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如上图图所示海底尾鱼的自然奇观,它可以分泌长达1米的气球状黏液喂养结构。在此大型结构中,有较小的拳头大小的过滤器,可用来收集猎物和微小的颗粒。

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如上图所示研究人员在船舱里将这种该新型装置对准海底尾鱼,在控制室屏幕上具体观察与操作摄像镜头。

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该研究团队首次使用了这项新技术,可以绘制海底生物内部结构图,从而确定其精确的形状和部件的确切功能。增强的计算机功能可以将可视化效果转换为电影,从而能够有效地通过过滤器并检查其流程。

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到目前为止,这是首次有机会研究深层生物中如此复杂的结构,这种可视化“可以揭示自然界中某些最复杂的形式。”

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这项新技术可能将对海洋科学产生重大影响,世界海洋如此广阔,漆黑深处的生物如此神秘。科学家估计,地球上超过99%的生物都生活在海洋中。总的来说,与陆地相比,全球海洋特别是深海,还是未知的。研究人员估计,多达一半的海洋生物仍未被发现,主要是中层深度以下的超自然生物。

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