通过视频显示动物的能量使用情况

能源短缺是动物行为和进化的核心驱动力。这个星球上生命的惊人多样性证明了为确保和维持能源问题提供了大量新的生物解决方案。然而，尽管能源消耗在生物学中如此重要，但仍然难以量化，从而难以进行实证分析。

虽然生物体在从生长到认知的各种过程中都使用能量，但有一项活动是许多动物的主要消耗：运动。对于高度移动的动物来说，运动是一个强大的视角，可以通过它来估算能量的使用。

在能量消耗的背景下，确实存在测量动物运动的强大方法，但这些方法受到所用设备物理尺寸的限制。

现在，在《实验生物学杂志》上发表的一篇论文中，冲绳科学技术研究所（OIST）海洋生物物理学部门的研究人员与耶路撒冷希伯来大学的Amatzia Genin教授合作，描述了一种通过视频和深度学习进行3D跟踪来测量运动过程中能量使用的创新方法。

该研究的第一作者Kota Ishikawa博士说：“由于对可穿戴设备的依赖，迄今为止，在对世界上大约一半物种的研究中，没有空间限制的最佳方法被排除在外。”。“通过视频，我们现在有了一种更具包容性的方法来研究动物行为和生态学背景下的能量使用情况。”

动态身体加速度（DBA）长期以来一直是估算运动过程中能量使用的最先进方法。本质上，DBA涉及通过简单地测量通过活动消耗的氧气量来测量给定物种在实验室中执行给定行为的耗氧量。

基于视频的动态身体加速（DBA）正在发挥作用。一个深度学习模型已经过训练，可以跟踪水箱中鱼的身体点的位置，该水箱与测量水中氧气浓度的呼吸计相连。加速度可以从点的运动中得出，随后与氧气消耗一起进行分析，以估算能源使用量。来源：Ishikawa等人，2025

氧气是一个很好的能量指标，因为它是有氧呼吸的一部分，用于产生ATP——为包括肌肉收缩在内的大多数身体过程提供能量的“燃料”。动物的加速度是用加速度计同时测量的，在大多数情况下，由于行为过程中加速度和耗氧量之间的相关性非常强，DBA提供了可靠的能耗估算。

根据实验室设定的标准，DBA然后通过可穿戴加速计在野外进行测量，在野外不可能可靠地测量耗氧量。然而，依赖物理设备是一个主要障碍。

石川博士说：“为了确保在不影响观察过程中行为的情况下进行准确测量，研究人员使用了重量至少比动物轻十倍的设备。鉴于加速度计和电池组的重量为10-20克，这排除了对100克以下任何动物的研究——大约占世界脊椎动物物种的一半。它也会影响运动，特别是当它取决于阻力效率时，如游泳或飞行。”。

研究的主要发现。将不同流速下的动态身体加速度（DBA）和耗氧量（MO2-SMR，原始耗氧量减去标准代谢率）绘制在一起，表明DBA是耗氧量的良好指标。来源：Ishikawa等人，2025。该研究中出现的物种绿色铬藻的成员。图片来源：Kota Ishikawa

他们解决这个问题的方法非常简单。两个摄像头从多个角度捕捉行为的视频片段，而不是使用物理加速计来测量运动——在这种情况下，是一只在鱼缸里游泳的雀鲷——以在3D空间中重建行为。

然后使用视频的几帧来训练深度学习神经网络，以跟踪眼睛等身体特征的位置，这使研究人员能够随后测量与运动相关的加速度。

无论是在野外还是实验室，一旦设置了摄像头来捕捉动物的运动，就可以估算能耗。例如，基于视频的DBA可以在集体行为的背景下使用：石川博士解释说：“小鱼上学期间的能量消耗长期以来一直是个谜。”。

“例如，领先的鱼类是否消耗更多的能量，学校教育是否是一种节能的运动形式？这能告诉我们鱼类学校教育的生态和进化吗？”

通过基于视频的DBA，对自由放养动物行为中能量使用的准确测量已经向世界上较小的一半脊椎动物开放，这可能会开辟许多新的研究途径。p