1.400.000 beeldjes per seconde

Biologie Het is een romantisch idee: ontdekkingen doen door louter kijken. Biologen gebruiken er nu hogesnelheidscamera’s voor.

‘Kijk. Hier komt ie aanvliegen... hij gaat naar beneden... hij landt... bam! Vol op z’n antennes. En nu stuitert ie nog even.”

Jan Wouter Kruyt en Kees Voesenek hebben net een halve minuut zitten kijken naar een filmpje van een sluipwesp. In werkelijkheid duurt de opname 0,014 seconde. In de tijd dat een mens met zijn ogen kan knipperen, is het insect al twintig keer naar beneden gestuiterd.

Kruyt en Voesenek, pas afgestudeerde vliegtuigbouwers, kijken op van hun laptop in het Wageningse laboratorium. Een meter verderop zitten hun insecten opgesloten in een reageerbuis. Ze lijken in niets op gewone wespen. De reageerbuis lijkt gevuld met honderden zandkorrels die door een onzichtbare ventilator alle kanten op worden geblazen. De sluipwespen, van de soort Trichogramma evanescens, zijn te klein en te snel om met het blote oog te volgen. Elke seconde slaan ze 350 keer met hun vleugels.

Op nog geen tien centimeter afstand van de reageerbuis staat de camera die heeft verraden dat de insecten daarbij niet zo gracieus bewegen. Een gewone filmcamera, op het oog, op statief. Kostprijs: 140.000 euro exclusief toebehoren. Maximale filmsnelheid: 1.400.000 beelden per seconde, in plaats van de 24 beelden die een traditionele filmcamera in een seconde schiet. Het apparaat arriveerde in maart in het Wageningse lab en is sinds deze week in bedrijf. “Wat we de afgelopen dagen hebben gedaan”, zegt Kruyt, “is nog geen onderzoek. We zijn deze dieren voor het eerst goed aan het bekijken. Dat heeft nog nooit iemand gedaan.”

Dat een bioloog grote ontdekkingen kan doen door om zich heen te kijken is een romantisch idee. En het lijkt verleden tijd. Zo was het in de tijd van Charles Darwin, toen een bioloog nog een naturalist heette. Maar nu? Veel biologisch onderzoek bedient zich van grootschalige analysetechnieken voor DNA en eiwitten, van celkweken en genetisch gemodificeerde organismen die weinig met ‘vrije natuur’ te maken hebben.

Maar voor het onderzoekend rondkijken hebben biologen er sinds een paar jaar een belangrijk stuk gereedschap bij gekregen: de hogesnelheidscamera. Bijna elke week verschijnen er in vooraanstaande wetenschapsbladen ontdekkingen die gedaan zijn met dit soort camera’s. Dat zijn allemaal ontdekkingen uit de dagelijkse natuur. Hoe klapt een vleesetende plant dicht, welke routes vliegt een bromvlieg? En hoe landt een vleermuis op het plafond? (Antwoord: als het voorzichtig moet, zoals in een grot, maken ze een koprol en landen op hun achterpoten.)

Afgelopen woensdag nog publiceerde het bekende biologische tijdschrift Biology Letters een artikel over drinkende honden. Wie er met het blote oog naar kijkt, ziet zo’n hond zijn water gewoon opscheppen met zijn tong. Zoölogen van Harvard University hebben dat ontkracht. Het water uit de drinkbak blijft vooral kleven aan de tong op het moment dat de tong op het wateroppervlak ligt, net als bij katten. Pas in tweede instantie komt het water op het lepelvormige deel van de tong terecht.

Om dat te ontdekken (in een filmpje van 500 beelden per seconde), had de oude hoogleraar zoölogie Alfred W. Crompton niets bijzonders nodig. Voor het leeuwendeel van het werk gebruikten hij en Catherine Musinsky een fotocamera voor consumenten – steeds vaker hebben die een ingebouwde hogesnelheidsfunctie. Hun Casio kost ongeveer 800 euro, in de winkel. En voor een apparaat dat duizenden foto’s per seconde maakt, die in hoge resolutie digitaal worden opgeslagen, hoeft een instituut nog maar enkele tienduizenden euro’s neer te tellen.

De Wageningse biologen hebben nog meer te besteden. Vorig jaar wonnen ze de Academische Jaarprijs van onderzoeksfinancier NWO: een ton voor ‘vertaling van wetenschappelijk onderzoek naar een breed publiek’. Projectleider David Lentink is, net als zijn jonge medewerkers Voesenek en Kruyt, een luchtvaarttechnoloog die in de biologie is beland. Lentink doet onderzoek naar de dynamiek van vliegende gierzwaluwen, dwarrelende esdoornzaadjes en stationair vliegende kolibries – onder andere. “Ik heb onderzocht hoe een gierzwaluw voldoende lift genereert, maar nog interessanter is wat hij in de natuur doet. En dan insecten – normaal zie je zó weinig van hun natuurlijke gedrag.”

Zulk gedrag kon hij tot nog toe niet waarnemen. De universiteit vulde voor zijn project Vliegkunstenaars het prijzengeld aan, en Lentink kocht een Phantom v710 om vliegende dieren in de vrije natuur te gaan observeren. De camera maakt 20.000 beelden per seconde in tv-kwaliteit, 7.500 in HD. Het miljoen beelden per seconde uit de advertenties maakt hij alleen in miniformaat – maar toch. Dit zijn apparaten die voorheen bijna alleen door het leger werden gebruikt voor ballistische tests (kogels, raketten, en dergelijke), of door autofabrikanten die experimentele crashes wilden filmen.

Zulke camera’s geven niet alleen de mogelijkheid om scherpere beelden te maken. Ze brengen diergedrag in beeld dat voorheen niet te volgen was, legt David Lentink nog eens uit. “Stel dat je een trips wil filmen. Die is nog veel sneller dan zo’n sluipwespje of een fruitvlieg. Hij maakt duizend vleugelslagen per seconde. Dat kun je pas goed volgen als je twintig foto’s per slag kunt nemen. Dus je hebt 20.000 beelden per seconde nodig.”

Hogesnelheidscamera’s zijn al in de eerste helft van de vorige eeuw ontwikkeld. In 1948 kwam de Society of Motion Picture and Television Engineers met een definitie: een camera die minstens 128 beelden per seconde kon maken, en ten minste drie beelden achtereen. Camera’s die honderden tot duizenden beelden per seconde konden maken, bestonden toen al (zie kader).

Maar voor biologen zijn die altijd lastig geweest in het gebruik. “Ik filmde happende vissen in de jaren tachtig”, vertelt zoöloog Johan van Leeuwen. Hij is de hoogleraar van David Lentinks lab in Wageningen. “Voor het filmen met 250 beeldjes per seconde had ik enorme filmrollen nodig.” Hij gebaart erbij alsof hij een hele Goudse kaas tilt. Die rol was voldoende voor 7 seconden film. “Maar de film moest eerst aanlopen. Na 2 seconden was hij op snelheid. Dan had ik dus 5 seconden waarin ik hoopte dat de vis hapte.” De rol moest vervolgens worden ontwikkeld in een fotolaboratorium. Duurde twee weken, kostte 150 gulden. “En als de film terugkwam, was het hopen dat er iets interessants op stond.”

Bij nóg hogere snelheden werden die problemen alleen maar groter. Eind jaren zestig probeerden Britse biologen springende vlooien te filmen (zie kader). De afzet van zo’n sprong duurt maar een duizendste seconde; de gebruikte camera haalde vierduizend beelden per seconde. Een standaard filmrol, normaal gesproken goed voor bijna drie minuten film, is dan in een halve seconde op. Daarbij waren er, door de korte belichtingstijd, sterke lampen nodig om voldoende licht op de gevoelige plaat te laten vallen. Hitte-absorberende glasplaten tussen lamp en vlo moesten voorkomen dat de insecten tijdens het filmen gebakken werden.

Digitale camera’s kennen dat probleem niet meer. Ze zijn veel lichtgevoeliger dan de oude apparaten. En bovendien is het probleem van de timing van de opname opgelost. De camera’s hebben een intern geheugen waarin continu enkele seconden beeld zijn opgeslagen. Ziet de filmer een vliegje iets spannends doen en drukt hij op de knop, dan wordt ook bewaard wat in het voorgaande moment gebeurde.

Inmiddels zijn er tientallen onderzoeksgroepen die met hogesnelheidscamera’s werken. Hoeveel het er precies zijn, valt niet te zeggen – ‘hogesnelheidsbiologie’ is geen vastomlijnd vakgebied en dus ontbreekt het overzicht. Een beperkte zoektocht in wetenschappelijke databanken leverde zo’n veertig publicaties van biologen op in de afgelopen twee jaar. Hun onderwerpen zijn opvallend divers, van de verspreiding van schimmelsporen tot het paargedrag van loopkevers.

Eén van die onderzoekers is Alejandro Rico Guevara. Twee weken geleden kreeg een artikel dat hij publiceerde in Proceedings of the National Academy of Sciences wereldwijd media-aandacht. Het ging over de tong van de kolibrie – in De Kleine Wetenschap was er al over te lezen. De tong van de kolibrie blijkt geen frisdrankrietje. Guevara zag een dubbele tong, aan de binnenkant bedekt met haren, die nectar opschept door op te rollen als een krant. Een kolibrie drinkt veel ingewikkelder dan het leek.

“Ik gebruik tegenwoordig veel hogesnelheidscamera’s bij mijn veldwerk”, zegt Guevara. Als kolibriespecialist is hij vaak in het bergland van Zuid-Amerika – een consumentencamera kan prima mee. “Er gaat een heel nieuwe wereld voor me open.” Sinds een jaar of vijf zijn de prijzen van de (nog snellere) hogesnelheidscamera’s voor industrieel gebruik ‘redelijk’ geworden, vindt Guevara. “Ik heb net een Troubleshooter gekocht van 10.000 dollar. Mijn Phantom van 30.000 dollar heb ik geleend.” Collega’s van hem zijn nu bezig om met dezelfde camera’s gierzwaluwen en klauwieren (vleesetende zangvogels) te filmen.

De Wageningers hebben hun camera voorzien van tele- en macrolenzen, extra accu’s, geheugenkaarten en een gitaarband, zodat het ding mee naar buiten kan. Vanaf volgende week mogen 54 geselecteerde natuurfotografen, biologen, kunstenaars en andere geïnteresseerden de camera ieder een weekend lenen. Lentink: “Zet hem maar bij de vlinderstruik in de achtertuin. Een deelnemer wil het baltsgedrag van de weidebeekjuffer filmen, een ander ganzen. Het maakt mij niet uit. Ik vind alles wat vliegt mooi.”

Rectificaties / gerectificeerd

Correcties & aanvullingen

Het vlindertje bovenaan het artikel over hogesnelheidscamera’s voor biologen (1.400.000 beeldjes per seconde, wetenschapsbijlage 28&29 mei) is verkeerd benoemd. Het is geen distelvlinder, maar een bont zandoogje.