Войти
История технологии слежения за дикой природой связана с развитием технологий, которые использовались для мониторинга, отслеживать и находить множество различных видов диких животных. Многие люди заинтересованы в отслеживании дикой природы, в том числе биологи, научные исследователи и защитники природы. Биотелеметрия - это «инструментальный метод получения и передачи информации от живого организма и окружающей его среды удаленному наблюдателю».
Джон Джеймс Одюбон, француз Американский натуралист, орнитолог и художник был первым человеком, который попытался нарисовать и описать всех птиц Америки. В 1803 году он провел первый известный эксперимент по кольцеванию птиц в Северной Америке и привязал веревки вокруг ног Восточной Фиби. Он заметил, что птицы возвращались в одно и то же место гнездования каждый год, демонстрируя филопатрию.
Кольцевание птиц было использовано в 1890 году датским биологом Гансом Кристианом К. Мортенсеном. Птиц можно поймать вручную, используя туманные сети, пушечные сети или клеточные ловушки. Ремешок, который обычно делают из алюминия или цветного пластика, прикрепляют к ноге птицы. Каждая полоса имеет уникальный идентификационный код, чтобы при повторной поимке птиц можно было идентифицировать особей. Туманные сети стали широко доступны в начале 1950-х годов, что резко увеличило вылов помеченных птиц.
Первая научная статья по вырезанию чешуек была опубликована в 1933 году. Острые рассекающие или микрохирургические ножницы используются для стрижки определенных брюшных мышц змей. Используется система последовательного подсчета, чтобы можно было идентифицировать людей по образцу рубцов.
Во время Второй мировой войны мигрирующие птицы вызывали "фантомы" сигналы "или" радарные ангелы "появляются на экранах радаров. С тех пор радар стал широко используемым методом изучения мигрирующих организмов. Ранние радарные технологии, такие как WSR-57 (РЛС наблюдения за погодой - 1957), были заменены программой метеорологических радаров нового поколения (NEXRAD ), которая была внедрена в сегменты в течение 1990-х годов.. Также известный как WSR-88D (радар для наблюдения за погодой 88 Doppler), NEXRAD представляет собой доплеровскую систему, которая заменила старые недоплеровские метеорологические радары. NEXRAD может определять как направление, так и скорость мигрирующих людей, которые движутся как к радару, так и от него.
Изотопный анализ основан на том принципе, что большинство элементов существует в двух или двух частях. больше форм, известных как изотопы. Изотопы имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, что приводит к разным массам. Такое изменение относительного содержания стабильных изотопов является результатом крошечной разницы в массе, которая заставляет изотопы по-разному действовать в химических реакциях и физических процессах. Различные среды часто характеризуются предсказуемыми изотопными сигнатурами, а это означает, что уникальные изотопные сигнатуры организма можно проследить до уникальных сред, содержащих одинаковые изотопные сигнатуры. Фундаментальная конструкция масс-спектрометров изотопного состава, инструмента, используемого для анализа изотопов, не изменилась с 1940-х годов. Анализ стабильных изотопов (SIA) часто используется с птицами, так как для определения их гнездового происхождения требуется только один улов. SIA основан на принципе сохранения изотопной информации в тканях птиц, основанной на изотопных ландшафтах, которые они населяли в недавнем прошлом. Изотопная информация в основном получается из перьев, поскольку кератин в перьях метаболически инертен. Для различных протестированных видов птиц скорость обмена элементов в их перьях положительно коррелирует со скоростью их метаболизма. Проблема с SIA возникает, если птицы подвергаются катаболизму белков во время миграции, и их изотопная информация впоследствии теряется в результате замещения клеток крови. SIA трудно применять для птиц, которые сезонно меняют свой рацион, из-за сложности отделения изотопных изменений из-за изменения местоположения от изотопных изменений из-за изменения рациона. Элементами, которые в первую очередь анализируются для SIA, являются: углерод, азот, кислород, водород и сера. Изотопные различия между растениями в значительной степени основаны на различиях в путях фотосинтеза. Этот метод полезен, поскольку основан на однократном захвате человека. Важную информацию можно получить из такого простого предмета, как птичье перо, которое относительно легко и безболезненно извлекается.
Акустическая телеметрия основана на принципах сонара, который был разработан для обнаружения подводных лодок во время Первой мировой войны. акустических систем способствуют их использованию в глубоких водах с высокой проводимостью и низкой турбулентностью. Первое акустическое телеметрическое оборудование было разработано для изучения рыб в 1956 году Бюро коммерческого рыболовства США и Minneapolis-Honeywell Regulator Corporation. Люди, которые хотят отслеживать морскую дикую природу в соленой воде, сталкиваются с уникальными проблемами. Радиоволны сильно поглощаются соленой водой, что делает их плохим выбором для отправки сообщений через океан. Звуковые волны, с другой стороны, также не задерживаются морской водой. Благодаря тому, что звук в воде может распространяться более чем в 4 раза быстрее, чем в воздухе, это позволяет прослушивать звук почти в реальном времени на больших расстояниях с помощью надлежащего оборудования акустической телеметрии. Акустические сигналы являются предпочтительным средством связи для исследователей, которые хотят отслеживать рыбу и диких животных в морских средах обитания в режиме реального времени. Как и в случае с радио, акустическая телеметрия требует, чтобы передатчики посылали сигналы, а приемники их слышали. Передатчики представляют собой электронные метки, которые излучают серию звуковых импульсов в окружающую среду. Они могут быть имплантированы хирургическим путем или прикреплены к организму снаружи. Дальность приема сигнала может варьироваться от нескольких метров до более тысячи метров. Сигнал обычно передается раз в одну-две минуты, чтобы продлить срок службы батареи. Приемники - это небольшие компьютеры с регистрацией данных, которые «слушают» помеченных людей. Когда сигнал идентифицируется, уникальный идентификационный код тега сохраняется с датой и временем. Данные от любого отдельного приемника обеспечивают запись каждого сигнала к этому местоположению помеченным человеком. Исследователи могут развернуть множество приемников в больших регионах, чтобы понять модели передвижения помеченных особей. Гидрофоны, разновидность подводных микрофонов, принимают акустические сигналы, а затем либо сохраняют, либо преобразуют их в радиосигналы для быстрой передачи по воздуху к приемникам на берегу.
Стационарная акустическая приемная система, использовавшаяся в конце 1950-х годов. Данные записывались как на бумаге, так и на магнитной ленте. УКВ (очень высокая частота ) телеметрия обычно требует, чтобы пользователь принимал УКВ-передачи от передатчик УКВ (обычно в ошейнике, прикрепленном к животному) с помощью переносной антенны. УКВ-сигналы принимаются мобильными или стационарными приемниками, оснащенными направленными антеннами. Затем местоположение передатчика может быть определено путем сбора передач из трех (или более) разных мест для триангуляции местоположения устройства. УКВ-слежение более широко известно как «радио-слежение».
«Радио-слежение - это революционный метод изучения многих видов животных, находящихся на свободе. К марту 1979 года один из ведущих коммерческих поставщиков оборудования для радиосопровождения продал более 17 500 радиомойков. Множество видов, от раков до слонов, были изучены с помощью этой техники в широко распространенных регионах мира, от полюса до полюса и в большинстве крупных стран мира ».
Идея использования крошечных радиопередатчиков, прикрепленных к животных, чтобы отслеживать этих существ, пришло в голову нескольким людям в 1950-х годах, когда транзисторы быстро заменяли электронные лампы, тем самым сводя к минимуму размер устройств, которые могли бы генерировать радиосигналы. Одновременно с этим некоторые рабочие начали разрабатывать такие устройства для контроля частоты сердечных сокращений и дыхания животных, в то время как другие стремились встраивать передатчики в ошейники и шлейки, чтобы можно было отслеживать местонахождение животных.
В каждой из этих групп участвовали биологи, живущие в дикой природе, и инженеры-электронщики. или техников, чтобы построить радиопередатчики. Из этих экспертов по электронике Уильям (Билл) У. Кокран, будучи студентом Университета Иллинойса, работал над радиопередающими системами для некоторых из первых спутников армии США.
Джордж Свенсон, главный исследователь проекта Университета Иллинойса, спонсируемого НАСА, по изучению распространения радиоволн в ионосфере Земли в эпоху спутника, сказал о нем следующее:
«... [ Кокран] отвечал за строительство и эксплуатацию наших полевых станций в течение нескольких лет. Он продемонстрировал исключительное мастерство в работе с транзисторными схемами. Мы с Биллом решили, что можем построить пару полезных нагрузок для спутников, и начали экспериментировать со схемами и различными типами батарей ».
«… пока он конструировал спутниковые передатчики и приемники, [он] также подрабатывал на биологов-биологов из Иллинойского исследования естественной истории. У них была идея, что маленькие радиопередатчики, прикрепленные к кроликам, могли бы позволить им отслеживать животных в их норках и устанавливать закономерности их активности. Это сработало. Успех привел к предположению орнитолога, что, возможно, птиц можно отслеживать в полете ».
Согласно Кокрану (23.08.19), биолог по дикой природе Фрэнк Беллроуз хотел проверить направление, в котором перемещенные утки кряквы летят, когда их выпускают в новое место. Кокран построил передатчик, который прикреплялся к утке с помощью легкой металлической ленты на груди, и когда утка проходила мимо станции, где Кокран наблюдал за спутником, он смог записать сигнал. Свенсон продолжил: «Пока [утка] дышала спокойно, металлическая полоса периодически искажалась и изменяла частоту, вызывая различную ноту ударов в приемнике. Был доступен дискриминатор звуковой частоты, поэтому изменения частоты можно было записывать на ленточной диаграмме. Когда птица была выпущена в воздух, ее дыхание было записано на диаграмме, а кроме того, высокочастотная модуляция, отражающая взмахи ее крыльев. Биологи сообщили нам, что мы провели первые измерения связи между взмахами крыльев и дыханием летающей птицы, таким образом ответив на давний вопрос, а также направление, в котором летела утка.
«Конечно, я был очень молод и мало заботился о том, что делают утки, ничего не знал о публикации, и даже не заботился, включили ли они меня в соавторство», - заявил Кокран (23.08.19).
«Билл Кокрэн следовал за этими успехами, создав долгую карьеру в области применения радиотелеметрии в исследованиях дикой природы. Покинув нашу программу, он с высокой степенью эффективности разработал радиослежение за дикой природой, основав компанию, которая положила начало этому бизнесу... »
Между тем Дуэйн Уорнер, профессор орнитологии Университета Миннесоты, очень творческий и дальновидный исследователь, получил грант на использование электронных технологий для наблюдения за различными животными в университетском районе естественной истории Сидар-Крик., примерно в 40 км к северу от городов-побратимов. Одним из первых его действий было нанять Кокрэна, еще студента, для разработки системы для одновременного автоматического отслеживания перемещений различных животных в этой области исследования.
Этьен Бенсон (2010) писал: «Они пригласили его посетить группу в Миннесоте осенью 1961 года, а через несколько месяцев он переехал в города-побратимы, чтобы возглавить биоэлектронику Музея естественной истории. лаборатория. Группе музея удалось передать результаты измерений температуры от кроликов на крыше здания в свою лабораторию в подвале с помощью собственной метки, но после прибытия Кокрена они перешли к его проекту ».
Автоматическая система радиослежения. то, что разработал Кокран, вместе со своими биологами, инженерами и техниками во главе с Кокраном, стал центром радиослежения. Этот центр не только подготовил множество статей, основанных на его собственных исследованиях в области радиотрекинга, но также разработал новые методы, усовершенствовал крошечные радиопередатчики, методы присоединения и приемники сигналов и в целом способствовал развитию всей области посредством формального и неформального сотрудничества с другими биологами и биологами. инженеры, а также дочерние предприятия, которые коммерчески поставляли оборудование. Революция радио-слежения началась.
«Справочник Меха по радио-слежению за животными» включал следующее: «Эта книга посвящена Уильяму В. Кокрану, Исследованию естественной истории штата Иллинойс, который, как многие из нас считают, сделал больше для дальше в области радионаблюдения за животными, чем любой другой человек ».
МАРК Исследователи и наблюдатели за китами, наблюдавшие за горбатыми китами, осознали, что каждый отдельный горбатый кит имеет уникальную пигментацию и рисунок рубцов на хвостовых плавниках. Начиная с 1970-х годов исследователи начали распознавать отдельных китов по их хвостовым двуусткам с помощью фотоидентификации. С тех пор фотоидентификация использовалась для изучения многих морских видов с целью определения аспектов их биологии, экологии и поведения. Вместо того, чтобы тратить время на сбор и анализ многочисленных фотографий, были созданы компьютерные программы, которые помогают исследователям идентифицировать людей и пересматривать события с использованием существующих фотоидентификационных каталогов. Одна из таких программ, Fluke Matcher, согласовывает многие тысячи фотографий горбатых китов, используя несколько различных характеристик двуустки, таких как размер, форма, распределение черного и белого пигмента и другие отличительные особенности. Используя множество критериев, Fluke Matcher может идентифицировать отдельных китов по фотографиям плохого качества или неполным фотографиям. Обычные «гражданские ученые» и наблюдатели за китами могут загружать свои собственные фотографии в эти компьютерные программы, помогая ученым определить, соответствует ли один человек другому из базы данных.
Исследователи используют вариации на двуустках горбатых китов для идентификации и отслеживания китов. Теги пассивного интегрированного транспондера (PIT) состоят из микросхемы интегральной схемы, конденсатора и антенной катушки, заключенных в стеклянную оболочку. Они используются с середины 1980-х годов учеными, изучающими движение рыб. С тех пор теги PIT стали использоваться для изучения передвижения земноводных, рептилий, птиц и беспозвоночных. Этикетки действуют как пожизненный штрих-код для организма и, если их можно сканировать, надежны, как отпечатки пальцев. Теги PIT неактивны до тех пор, пока не будут активированы, и поэтому не требуют какого-либо внутреннего источника питания в течение всего срока их службы. Чтобы активировать метку, сканирующее устройство излучает низкочастотный радиосигнал, который генерирует электромагнитное поле ближнего действия. Затем метка отправляет уникальный буквенно-цифровой код обратно считывателю, эффективно идентифицируя индивидуальный организм. Внутренние бирки PIT вводятся через иглы большого диаметра или имплантируются хирургическим путем подкожно или в полость тела. Маркировка PIT может использоваться для ответа на вопросы, касающиеся темпов роста, выживаемости, пищевых сетей и моделей передвижения. Основным преимуществом перед методами повторной поимки является то, что помеченных животных не требуется повторно ловить; им просто нужно пройти мимо антенны автоматизированной системы считывания.
Тег PIT отображается рядом с американским пенни. Теги PIT имеют размер рисового зерна. Геолокатор, впервые описанный в 1992 году, представляет собой устройство, которое периодически регистрирует уровень окружающего света (солнечное излучение) в виде средство определения местонахождения организма. Геолокаторы были особенно полезны для отслеживания миграции птиц, потому что есть небольшие и легкие, которые не используют спутниковую или радиотелеметрию для мониторинга в реальном времени. Основным недостатком является то, что для получения данных с устройства необходимо повторно поймать организм. Регистрируемые уровни освещенности можно использовать для определения широты и долготы и, таким образом, предоставления информации о местонахождении организмов. Когда организм находится в затемненной среде из-за облаков, перьев или листвы, возникает проблема, поскольку геолокатор не регистрирует точные уровни освещенности.
Технология GPS позволяет людям наблюдать относительно мелкомасштабные движения или схемы миграции диких животных, находящихся на свободном выгуле, с помощью глобальной системы позиционирования. После установки на животных приемника GPS их положение определяется путем точной синхронизации сигналов, посылаемых спутниками GPS высоко над Землей, и местоположения спутников, отправляющих сигналы. Как только в 1990-х годах GPS стал доступен для гражданского использования, биологи начали прикреплять приемники GPS к животным. Хотя первые гражданские GPS-приемники были разработаны Magellan в 1989 году, они были очень большими и поэтому не подходили для использования с животными. К середине 1990-х более крупные компании-производители GPS создали приемники GPS, которые были меньше по размеру, более энергоэффективны и, следовательно, более удобны для приложений слежения за животными.
Устройства слежения GPS часто связаны с передающим терминалом платформы Argos (PTT), что позволяет им передавать данные через Argos System, научную спутниковую систему, которая используется с 1978 года. Пользователи затем могут загрузить свои данные непосредственно из Argos через telnet и обработать необработанные данные для извлечения переданной информации. Данные также могут передаваться через сети GSM с использованием сообщений SMS или интернет-протоколов в сеансе GPRS.
Новая система телеметрии, основанная на технологии мобильных телефонов GSM (Глобальная система мобильной связи ), была впервые описана в 1998 году как метод, обеспечивающий больше подробные данные по метке-повторной поимке в широком географическом диапазоне. Организмы снабжены тегом мобильного телефона, который запрограммирован на отправку текстовых сообщений обратно в лабораторию через регулярные промежутки времени. Полученные сообщения анализируются, чтобы определить предполагаемое местоположение организма. Телеметрия мобильного телефона имеет преимущество, поскольку ее легко установить при относительно низких затратах на обслуживание, она обеспечивает двустороннюю связь и требует низкопрофильной ненаправленной антенны на приемнике. К некоторым недостаткам можно отнести требование мониторинга в зоне покрытия сотовой связи, ежемесячную плату за обслуживание и возможность того, что поставщик услуг сотовой связи изменит вышки сотовой связи или протоколы связи, тем самым обеспечив связь с вашими удаленными точками.
Всплывающие спутниковые архивные метки - это электронные запоминающие устройства, разработанные в конце 1990-х годов, которые либо имплантируются хирургическим путем, либо прикрепляются к морским животным снаружи с помощью анкерное устройство. Эти теги могут записывать данные об уровне внешней освещенности, глубине плавания и внутренней / внешней температуре. PSAT передают записанную информацию на орбитальный спутник, который затем передает информацию исследователям. В заданное время сигнал заставляет прикрепление метки к организму растворяться, позволяя метке всплыть на поверхность воды, где она отправляет свои данные через спутник. Хотя PSAT более дорогие, чем другие метки, они эффективны для изучения перемещений крупных пелагических животных, которые часто не пойманы повторно. Данные PSAT использовались для определения моделей горизонтального и вертикального движения, времени пребывания, периодов кормления и возможных нерестилищ.
Белая акула помечена всплывающим спутниковым тегом под спинным плавником. A генетический маркер представляет собой ген или последовательность ДНК с известным местоположением на хромосоме, которые можно использовать для идентификации людей или видов. Маркер может быть короткой последовательностью ДНК, такой как последовательность, окружающая изменение одной пары оснований, известное как однонуклеотидный полиморфизм (SNP), или более длинная минисателлитная последовательность. Небольшой образец крови, пера или кусочка ткани можно извлечь из организма и определить его уникальные генетические маркеры. Если организм повторно отловлен или образец получен позднее, то можно определить, был ли это тот же организм, что и при первоначальном отлове. Наличие надлежащих инструментов биоинформатики необходимо для обработки и анализа данных последовательностей ДНК.
Многие важные разработки в течение 1990-х сделали возможным отслеживание дикой природы с использованием генетических маркеров, в том числе:
Многие вещи, используемые для изучения более крупных организмов, были невозможны для более мелких организмов из-за ограничений по размеру, связанных с технологией. В морской среде устройства слежения за более мелкими организмами слишком тяжелы, из-за чего они ведут себя неестественно. Последние достижения в нанотехнологии позволили ученым отслеживать организмы миллиметрового размера. Маленькие организмы могут быть помечены квантовыми точками, микроскопическим флуоресцентным зондом, ядро которого представляет собой полупроводниковый материал с высокой фотостабильностью, диапазоном поглощения с высокой длиной волны и узким диапазоном длин волн излучения. В одном эксперименте аминовые белки на экзоскелете Daphnia magna были биотинилированы, и стрептавидин был присоединен к квантовым точкам. Это позволило с помощью простого биоконъюгирования пометить организмы квантовыми точками, используя преимущества высокоаффинного взаимодействия между стрептавидином и биотином. Особи D. magna были успешно отслежены: у каждого из них была уникальная квантовая точка, которая флуоресцирует и излучает свет определенной длины волны, которую можно было обнаружить с помощью камер. Метки были полезны до 24 часов, после чего организмы сбрасывали свой панцирь, содержащий квантовую точку. Разрабатываются лучшие камеры, которые улучшат глубину, на которой можно будет наблюдать организмы, помеченные квантовыми точками, и позволят проводить исследования в естественной среде.
При постоянных технологических инновациях будущие приложения телеметрии, вероятно, будут предоставлять информацию, которая в настоящее время недоступна. Улучшения в технологии батарей в сочетании с продолжающейся миниатюризацией компонентов передатчика, вероятно, еще больше уменьшат размер передатчика, одновременно увеличивая эффективность и увеличивая либо дальность обнаружения, либо срок службы метки. По мере того, как схема передатчика становится более эффективной, избыточная энергия батареи может использоваться для питания датчиков, так что обычной практикой будущих исследований будет изучение не только движения и поведения меченой рыбы, но и одновременный сбор информации об использовании рыбы в окружающей среде. Это приведет к более всесторонним междисциплинарным исследованиям, касающимся поведения, биологии и экологии. В будущем технологические достижения могут в конечном итоге привести к созданию передатчика, способного отслеживать движения и поведение людей на протяжении их жизненного цикла.
