Les drones sont prêts à révolutionner la recherche sur la biodiversité en fournissant des capacités d'imagerie rapprochée et haute résolution et de collecte de données

Um ein gesundes Ökosystem zu haben, brauchen wir Biodiversität, da sie alles Leben auf der Erde, einschließlich des Menschen, unterstützt. Ohne eine Vielfalt an Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren können wir einfach keine ausgeglichene Umwelt haben.

Um ein gesundes Ökosystem zu erhalten, brauchen wir Biodiversität, da sie alles Leben auf der Erde, einschließlich des Menschen, unterstützt. Ohne eine Vielfalt an Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren können wir einfach keine ausgeglichene Umwelt haben.

Biodiversität stellt Ökosystemleistungen wie saubere Luft, Süßwasser und Hochwassermanagement bereit, die für das menschliche Wohlergehen von entscheidender Bedeutung sind. Es unterstützt auch die Ernährungssicherheit, hilft bei der Kohlenstoffbindung, entgiftet und zersetzt Abfälle, erhöht die Widerstandsfähigkeit von Organismen und hilft bei der Regulierung von Krankheiten. Die Gene in Pflanzen und Tieren werden sogar zur Entwicklung von Medikamenten und Pharmazeutika genutzt.

Es ist also klar, dass wir ein besseres Verständnis der Artenvielfalt brauchen. Ein leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung der Artenvielfalt in Wäldern und Baumkronen ist die Analyse der Umwelt-DNA (eDNA). Allerdings ist das Sammeln von eDNA-Proben in solch anspruchsvollen und komplexen Umgebungen nicht einfach.

Traditionell wurden zur Lösung dieser Aufgabe arbeitsintensive Ansätze wie Baumwalzen oder Oberflächenabwischen verwendet. Sich auf Satellitenbilder zu verlassen oder Kräne zur Untersuchung von Regionen zu verwenden, erforderte nicht nur erhebliche Anstrengungen, um eine ausreichende Abdeckung zu erreichen, sondern es mangelte auch an Präzision.

Aber nicht mehr. Drohnen sind bereit, die Situation zu verändern, indem sie Nahaufnahmen, hochauflösende Bilder und Datenerfassungsfunktionen bieten.

Eine neue Studie schlug den Einsatz unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) zur Erforschung der Artenvielfalt in Baumwipfeln vor, insbesondere in abgelegenen und unzugänglichen Gebieten. Das bedeutet, dass Drohnen ihre Arbeit sicher erledigen, ohne dass Menschen in schwer zugängliche Gebiete wie tropische Regenwälder gehen müssen, um genetisches Material aus Baumwipfeln zu sammeln, und uns dabei helfen, ein tieferes Verständnis der Artenvielfalt zu erlangen.

Sammeln von eDNA mit Drohnen

eDNA kommt in biologischen Substanzen wie Schleim, Kot und abgestorbenen Hautzellen vor und wird bereits seit mehreren Jahrzehnten zur Untersuchung der Biodiversität eingesetzt. Die DNA-Spuren werden zur Katalogisierung und Überwachung der Artenvielfalt verwendet und helfen Forschern dabei, festzustellen, welche Arten in einem bestimmten Gebiet vorkommen.

Anfang letzten Jahres nutzten Wissenschaftler des Forschungsinstituts der ETH Zürich diese Technik, um herauszufinden, welche Arten das Blätterdach des Waldes zum Bau ihrer Häuser nutzen.

Um diese spezielle Drohne zu bauen, die in der Lage ist, selbstständig Proben auf Ästen zu sammeln, haben Forscher der ETH Zürich und der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL eine Partnerschaft mit der Firma SPYGEN geschlossen.

Das Flugzeug wurde mit Klebestreifen an der Unterseite befestigt. Das UAV wurde vorsichtig auf Äste herabgelassen und sobald generisches Material von den Ästen auf diese Klebstoffe übertragen wurde, wurde es analysiert.

Aber Ranches unterscheiden sich in ihrer Dicke und Elastizität. Und es erwies sich für die Forscher als große Herausforderung, dafür zu sorgen, dass sich das Flugzeug einem Ast näherte und stabil blieb, um erfolgreich Proben entnehmen zu können.

„Das Landen auf Ästen erfordert eine komplexe Kontrolle.“

– Stefano Mintchev, damaliger Professor für Umweltrobotik an der ETH Zürich und der WSL

Also stattete das Team die Drohne mit einem kraftempfindlichen Käfig aus, der es dem Flugzeug ermöglichte, die Flexibilität des Zweigs zu messen und diese für die Bewegung zu nutzen. Das Gerät wurde dann an sieben Baumarten getestet und es wurde festgestellt, dass die Proben DNA von 21 verschiedenen Organismengruppen enthielten, darunter Vögel, Insekten und Säugetiere.

Obwohl dies eine einfachere, schnellere und sicherere Alternative ist, als Biologen hoch in die Baumwipfel zu schicken, ist selbst diese Methode nicht völlig risikofrei.

Beim Einsatz der Drohne besteht die Gefahr, dass nicht nur der Baum, sondern auch die Drohne selbst beschädigt wird, falls es zu einem unbeabsichtigten harten Zusammenstoß kommt. Hinzu kommt die Einschränkung, dass Proben nur von Ästen gesammelt werden dürfen, auf denen die Drohne landet. Obwohl die Ergebnisse „ermutigend“ waren, musste die Drohne verbessert werden.

Ein verbessertes System zur Untersuchung der biologischen Vielfalt

Jetzt haben Wissenschaftler der ETH Zürich ein neuartiges, maßgeschneidertes Robotersystem entwickelt. Dieser neue Ansatz für UAVs zum Sammeln von eDNA in Baumkronen verwendet eine Oberflächenabstrichtechnik.

Unter der Leitung von Steffen Kirchgeorg, einem Robotik-Doktoranden an der ETH Zürich, entwickelte die Studie ein Probenahmesystem mit einer flachen Gewebesonde. Das Stück Vliesstoff wird tatsächlich in einen Kreis geschnitten, ähnlich wie ein Kaffeefilter geformt wird, und mit Glasfaserstreifen befestigt, um für Struktur zu sorgen.

Die Sonde wird an einer Leine von einem an der Unterseite des Quadcopters montierten Hebezeug nach unten bewegt. Auf diese Weise wird die Drohne von der Vegetation ferngehalten.

Die Drohne wurde außerdem mit einem Sensor ausgestattet, der verhindert, dass sich die Leine der Sonde an Ästen verheddert. Die Forscher programmierten das System so, dass es seine Position automatisch ändert, wenn es einen Aufprall erkennt.

La façon dont cela fonctionne est que le drone plane en toute sécurité au-dessus de la cime des arbres. La sonde est ensuite abaissée à travers le feuillage où elle frôle les feuilles et les branches. Et une fois l’ADNe collecté, la sonde peut être retirée pour que son contenu soit ensuite analysé.

L'expérience a été réalisée dans une forêt tropicale d'Asie du Sud-Est, où le drone était contrôlé à distance par Kirchgeorg et ses collègues grâce à une transmission en direct de sa caméra embarquée. Le drone a été déplacé hors de vue pour collecter dix échantillons de la canopée forestière.

L'efficacité de la nouvelle approche a été démontrée lors des demi-finales XPRIZE Rainforest, où l'équipe a révélé avoir trouvé l'ADNe de 152 espèces différentes de celles-ci

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