FLIR-Wärmebildkameras lüften die Geheimnisse koexistierender Insekten

Die Wärmebildtechnik ist eine große Hilfe bei der Erforschung von Insekten. Forscher nutzen sie, um herauszufinden, wie unterschiedliche Insektenarten auf einer Wirtspflanze koexistieren. An der staatlichen Universität von Pennsylvania hat eine FLIR T650sc bei einem Experiment mit koexistierenden Insektenarten auf Weizenpflanzen wertvolle thermische Informationen geliefert.

Die Abteilungen für Entomologie und Ökologie der staatlichen Universität von Pennsylvania haben es sich zur Aufgabe gemacht, außergewöhnliche Forschungen über Insekten durchzuführen, welche die menschliche Gesundheit, die Lebensqualität und die Nachhaltigkeit unserer Lebensmittel und Ökosysteme verbessern sollen. Die Entomologie ist in der Tat eine interdisziplinäre Biowissenschaft, die viel zu unserem Verständnis des Lebens, unserer Umwelt und des Wohlergehens unserer Gesellschaft beiträgt. Insekten haben einen signifikanten Einfluss auf die menschliche Zivilisation, unabhängig davon, ob die Auswirkungen positiv sind, wie zum Beispiel die Bestäubung unserer Nahrungspflanzen, oder negativ, wie zum Beispiel die Konkurrenz mit unserer Nahrungsmittelversorgung oder Überträger schwerer Krankheiten.

Insekten und die Temperatur

Die Forschung in den Fachbereichen Entomologie und Ökologie beschäftigt sich mit verschiedenen Fragestellungen und nutzt eine Vielzahl von experimentellen Ansätzen und Methoden, um mehr über das Leben von Insekten herauszufinden. Die Temperatur ist einer der wichtigsten Umweltfaktoren für das Wachstum und die Entwicklung von Insekten. Mikroklimatische Bedingungen auf der Wirtspflanze – das ist die Pflanze, auf welcher sich Insekten niederlassen und von der sie sich ernähren – sind für pflanzenfressende Insekten besonders wichtig. Häufig bestimmen Temperaturgradienten die Verteilung von Insekten auf ihrer Wirtspflanze.

Mitzy Porras, Absolventin des Entomologie-Studiums an der staatlichen Universität von Pennsylvania, beschäftigt sich mit diesen Mikroklimata und hat ein besonderes Interesse an der Koexistenz von Insekten auf Wirtspflanzen. „Wie koexistieren konkurrierende Arten in einem gemeinsamen Umfeld? Der Temperaturgradient einer Pflanze kann uns Aufschluss darüber geben, wie derartige Insekten zusammenleben, also die Mechanismen ihres Zusammenlebens, und über die typische Verteilung dieser Insekten auf einer Pflanze.“

Temperaturmessung bei Pflanzen

Es wurde ein Experiment zur Bestimmung des Temperaturgradienten bei Weizen (Triticum aestivum L.) durchgeführt. „Wir wollten die Temperatur von Weizenpflanzen sowohl am Stängel als auch an den apikalen Teilen der Pflanze präzise messen“, sagt Mitzy Porras. „Doch die physikalischen Eigenschaften der Weizenpflanze – die schmalen Blätter und Stängel – machten es zu einer Herausforderung, die Temperatur der Pflanze exakt und zuverlässig zu bestimmen.“

„Ich habe bereits an anderen Universitäten mit Thermoelementen gearbeitet. Leider ist dies jedoch keine besonders effiziente Technologie, um die Temperatur von Pflanzen zu messen“, sagt Mitzy Porras. „Zunächst einmal misst ein Thermoelement die Temperatur nur an einem Punkt, nicht an einer größeren, aussagekräftigeren Oberfläche. Zum anderen muss man, um die Temperatur der Pflanze mit einem Thermoelement zu messen, die Pflanze berühren. Durch das Berühren kann die Temperatur jedoch verändert werden. Dies würde natürlich nicht zu präzisen Messergebnissen führen.“

Simuliertes Felddichtewachstum von Weizen, von links nach rechts: Visuelles Bild, Wärmebild, Messungen. Bei der Weizenpflanze gibt es einen Temperaturgradienten (unter simulierter Felddichte). Die Temperatur der Pflanze variierte von 22 ± 1,5 °C am Stängel bis 32,5 ± 1 °C am apikalen Teil der Blätter.

Wärmebildtechnik

„Bei diesem Experiment haben wir uns für eine Wärmebildkamera entschieden, da wir mithilfe dieser Technologie die thermische Heterogenität von Pflanzen genau charakterisieren können“, sagt Mitzy Porras. „Sie kann die Temperatur gleichzeitig am Stängel und an den apikalen Teilen der Pflanze messen und man erhält einen Gesamtüberblick über den Temperaturgradienten in einem einzigen Bild. Die schmalen Blätter und Stängel erschwerten außerdem die Unterscheidung zwischen der Temperatur der Pflanze und der Hintergrundtemperatur. Diese Einschränkung konnten wir jedoch durch den Einsatz eines geeigneten Objektivs an der Wärmebildkamera überwinden. Auf diese Weise konnten wir die Temperatur an drei Punkten entlang des gesamten Weizenblattes bestimmen.“

„Ein weiterer enormer Vorteil der Wärmebildtechnik ist, dass es sich hierbei um eine zerstörungsfreie Methode handelt, was bedeutet, dass die Temperatur der Pflanze durch die Messung nicht beeinflusst wird.“

Die Charakterisierung des Temperaturgradienten an einzelnen Pflanzen: Die Temperatur schwankt zwischen 2 °C und 4 °C, abhängig von der relativen Luftfeuchtigkeit und der Belastung, der die Pflanze ausgesetzt ist. Die Bestimmung des Temperaturgradienten mit FLIR-TOOLS.

Die thermografischen Messungen wurden mit einer FLIR-T650sc-Wärmebildkamera mit 15 mm Objektiv und einem Emissionsgrad von 0,90 durchgeführt. Die Weizenpflanze befand sich in einer Wachstumskammer mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit, Licht, Temperatur und Windgeschwindigkeit, was einen homogenen Luftstrom sicherstellte und Schwankungen vermieden hat. Die FLIR-Kamera wurde vor dem Experiment etwa zwei Stunden lang den Umgebungsbedingungen im Inkubator ausgesetzt, und die Pflanzen wurden 24 Stunden vor der Aufnahme akklimatisiert. Pro Pflanze wurden 10 Bilder mit einem Abstand von einem Meter zwischen den Pflanzen und der Kamera aufgenommen. Der Temperaturgradient wurde an einzelnen Pflanzen unter simulierten Bedingungen der Felddichte ermittelt.

Komfortable Wärmebildkamera

Auf der Suche nach einer für das Experiment geeigneten Wärmebildkamera beschloss Mitzy Porras, die technischen Voraussetzungen für die in anderen wissenschaftlichen Arbeiten beschriebenen Experimente zu überprüfen. Es wurde deutlich, dass die T650sc, eine in der Forschung und Wissenschaft sehr beliebte Wärmebildkamera, genau die richtige Kamera für diese Aufgabe war.

Die FLIR T650sc ist eine Wärmebildkamera für Forschungszwecke mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixel und kleiner Spotgröße, die präzise Ergebnisse liefert und eine zuverlässige Temperaturmessgenauigkeit gewährleistet. Sie verfügt über eine kippbare IR-Einheit, die es dem Anwender ermöglicht, seine Experimente schnell und in einer bequemen Position durchzuführen. Der hochwertige LCD-Touchscreen zeigt scharfe und helle Bilder und erleichtert das Ändern der Einstellungen und die Interaktion mit dem Menü. Die T650sc verfügt außerdem über die von FLIR entwickelten Bildverbesserungsfunktionen MSX® und UltraMaxTM.

„Mit der FLIR T650sc konnten wir die Temperatur am Weizenstängel und an den apikalen Teilen äußerst präzise bestimmen und sie zeigte uns den Temperaturgradienten sehr genau an, was das Ziel dieses Experiments war“, sagt Mitzy Porras. „Außerdem ist die Kamera sehr einfach zu bedienen. Es ist möglich, das FLIR-Gerät entweder im Außeneinsatz oder im Labor zu verwenden. Daher ist es vielseitig einsetzbar. Die Kamera kann in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden und hat sich in der Wachstumskammer sehr gut akklimatisiert.“