数字化技术在昆虫标本制作中的优势*

李芬 邹游兴 方渝凯 叶卫东 吴少英

(海南大学,植物保护学院数字化植物保护科研教学团队,海南海口 570228)

标本制作是将动物、植物等实体,经过特殊处理,使其能够以原貌的形态进行长久保存的过程[1]。标本一般包括动、植、矿物,医学上也指用来化验或研究的血液、痰液、粪便、组织切片等。昆虫标本作为生物资源标本的重要组成部分,是植物保护专业教学、动植物检疫、害虫防治研究、科技知识普及宣传的基础材料和重要参考,对于教学、科研等工作具有重要意义[2-3]。目前世界范围内已知的昆虫种类约有100万种,占整个动物界种数的70%以上[2,4],通过昆虫标本的采集、制作、鉴定和分类,使我们能够直接观察和了解昆虫的形态结构、生物学特性以及昆虫与寄主植物、环境的关系,进而掌握昆虫学研究的常规方法,培养学生的专业兴趣和技能。昆虫标本也从亿万年前的化石形式到现代传统制作保存,其制作方法也在不断地更新。当今时代是信息化时代,而数字化技术的应用也越来越为研究人员所重视。本文通过介绍昆虫实物标本的价值与意义、传统昆虫标本的制作、保存方法及存在问题,引出数字化昆虫标本的优势,列举了数字化技术在昆虫标本制作中的应用,最后提出了数字化昆虫标本的发展前景与展望。

1 昆虫实物标本的价值与意义

将昆虫制作成标本,具有重要的价值和意义,如(1)保留昆虫原貌,便于学术观察:对昆虫实物进行标本制作,其主要目的是保留昆虫的全貌以便观察,并且在一定条件下也能展示其内部结构;(2)体现出科学与艺术结合的美学:昆虫实物标本不仅在科学研究中具有一定的价值,事实上也是一种有价值的装饰品。昆虫实物标本既能最大程度上反映昆虫的形体特征,又能展现大自然的独到之美,数量和种类繁多的昆虫标本,是学术和艺术的结晶,可以长久保存和观赏,其意义跨越了生命的形式;(3)有利于为害虫防治提供素材:制作昆虫标本就要对昆虫进行分类和鉴定,就植物保护专业而言,昆虫的分类鉴定不仅利于了解田间病虫害的发生规律和特点,还能够帮助我们进一步提出解决的对策。我们可以针对其化性、形态特征、生活场所和食性等方面特性来防控害虫的危害。另外,昆虫的分类鉴定也有利于我们了解益虫在生态系统中所处的地位和作用,从宏观的生态角度考虑对策,进行保护,从而达到利用益虫及其有益的方面来控制植物其他病虫害的发生。

2 传统昆虫标本的制作、保存方法及不足

根据付春伶(2019)[4]综述中介绍,将昆虫制作成标本时可根据其生物学特征进行选择,如体表坚硬的昆虫可选择针插法,而表面柔软的昆虫选择浸渍法,蛾蝶类及蜻蜓目等昆虫可选择展翅法,体型较小的昆虫选择微针及胶粘法,体型极小的昆虫可采用玻片法。另外也可利用一些新的技术手段,如硅胶填充、冷冻干燥或制作琥珀进行昆虫标本的制作与保存。

传统昆虫标本制作有一定的优势,但也存在着一些不足,如制作时需要的辅助材料较多,除了各类标本针、有机试剂、三角纸、捕虫网、毒瓶等基本材料,还需要标本盒、烘箱、软木、樟脑丸等辅助设备,同时也需要足够的空间存储和摆放[3]。另外昆虫标本的保存也有较高要求,要保证干燥、无尘、恒温、无外界因素损害等环境条件,即使如此,实物标本的保存还是不能避免因时间过长而变质腐烂的情况发生。随着教学要求的增加,标本使用也日益频繁,损坏和老化也随之严重,教师用于采集标本和制作标本的时间也非常有限,造成新标本补充的速度早已无法追上标本老化和损坏的速度,尤其对一些重要稀缺标本的破坏会造成物种鉴定的严重偏差[2,5]。

3 数字化昆虫标本的优势

数字化标本是利用现代多媒体技术,如应用数码相机、摄像机等摄影/摄像或3D建模的方式,最终以图片、视频、动画、3D模型等方式展现昆虫特征特性,把昆虫素材变成电子文件进行保存[6]。昆虫标本数字化,在补充传统标本制作及保存过程中的不足具有很多优势。数字化昆虫标本将极大地丰富植物保护专业教学素材,为新形式的教学手段提供有力保障。其优点总结如下:

(1)有利于全面的展现昆虫的形态学、生物学和生态学信息。现阶段数字化技术发展已较为成熟,如利用拍摄获得的图像质量高,能够清晰的反应出昆虫的形态特征,而且拍摄过程方便快捷。另外,通过摄像技术可以完整的记录昆虫的生物学特性和生态学信息,并且由于拍摄时昆虫处于生动的活体状态,此时昆虫的形态灵活、多样,表现出旺盛的生命力和活力,这种状态下进行拍摄,能够提升标本的美观度和丰富度,弥补了昆虫实物标本的单一状态。

(2)有利于保护珍惜和保护性昆虫物种。昆虫本身是自然生态中的一个重要环节,如果将原本就稀少的昆虫制成标本,一方面不利于该昆虫在当地繁衍生存,另一方面,也不符合生态环保的理念,在生态环保的理念要求下,应该尽量避免对自然生态的损害。借助数字化标本,利用图像、视频、动画及3D模型保存该昆虫的形态特征、生物学特性和生态学信息,避免对昆虫的过渡捕捉引起生态平衡破坏,同时节约了时间,拓宽了标本的采集渠道,减少对昆虫资源的争夺,还能保护稀有昆虫,符合保护生态环境的理念。将昆虫留在大数据里,这不仅符合生态保护的理念,也是对科学发展观的践行,响应国家号召,走可持续发展道路,保护环境,维护生态平衡。

(3)有利于标本的长久保存与资源利用。数字化昆虫标本可以实现长期保存,容易携带,方便查阅,不受季节和区域的限制,同时还具有可重复、可共享、个性化和灵活性等优势,可以实现资源共享,实现资源利用的最大化。对于解决我国相关执法部门、科研院所目前面临的昆虫标本种类不全、保存困难、数量稀缺等实际问题均具有重要价值[2]。

4 数字化在昆虫标本制作中的应用

高有华等(2019)对新疆主要的农业害虫标本的数字图像进行采集,初步建立起农业昆虫数字标本馆,极大地提高了标本的使用和管理效率[7];金光耀等(2020)利用数字化三维立体扫描和构图技术,研究了5种检疫性昆虫标本的3D模型打印方法,为研究昆虫高仿度非实物标本的制作工艺提供了有益的探索;李天宝等(2021)详细阐述了3D超景深显微摄影技术的特点及应用,指出该技术具有非常好的应用前景[8];王洋等(2021)以花蚤科昆虫图像处理为例,对一些图像处理软件功能进行了介绍,并对图像修复、图像堆栈、绘图、几何形态测量和计数等操作流程和方法进行了展示,指出这些图像处理软件可显著提升昆虫标本照片的质量,能够有效挖掘图像潜在信息,具有重要的推广和应用价值[9]。本课题组使用Adobe Photoshop处理昆虫标本的图像,也在教学中取得了良好效果,处理过程如图1所示。昆虫标本图像采集及做成数字化标本的展示如图2所示,数字化标本包含实物标本的所有信息。

图1 使用Adobe Photoshop处理昆虫标本技术界面Fig.1 Digital specimen of insect using Adobe Photoshop

图2 昆虫数字化标本示意图Fig.2 Schematic diagram of digital insect specimens

(A)棉红蝽Dysdercus cingulatus 原始拍摄图片,采用iPhone6S手机拍摄;(B)使用Adobe Photoshop处理后的数字化标本,包含采集、鉴定信息及采集人信息。

5 结语与展望

随着科学技术的不断发展,数字化技术的成熟为昆虫标本的制作带来了新的发展方向,数字化标本因其制作方便快捷、便于保存、成像质量高等特点,符合可持续发展的要求,有着不可替代的优势。虽然目前数字化标本也存在着一些不足和制约,如不一定能全面展示昆虫各个特征、不能进行解剖来观察昆虫内部结构、无法准确细致的反映昆虫的微小特征等,但相信随着技术不断革新,数字化标本必将成为一个重要的发展方向,贡献出更大的价值。