基于磁力测量的生物记录技术新突破：实现多物种关键行为的直接监测与量化

本研究针对传统生物记录标签难以直接测量动物远端附肢特定行为的难题，创新性地提出将磁力计与微型磁铁耦合的方法。研究人员通过在不同类群动物（包括扇贝、比目鱼、狗鲨和鱿鱼）身上进行实验，成功量化了瓣膜开角、呼吸频率、摄食时颌角以及推进运动模式等关键行为参数。该方法利用磁通量密度（MFS）变化与距离的关系，实现了对脆弱或小型附肢运动的高分辨率测量，为动物运动生态学、生理生态学和生物力学研究提供了强有力的新工具，显著拓展了原位行为观测的能力。

　　

在动物生态学研究领域，可穿戴技术已经成为研究动物运动生态学的首要工具，为了解物种迁徙、生态生理学以及不同类群间的相互作用提供了关键见解。然而，在使用传感器识别特定运动行为时，若没有对标记动物的直接视觉观察，仍然充满挑战。这一困难源于传感器仅能测量身体单个点的运动，无法提供构成行为的全身运动学（Kinematics）完整信息。尽管磁力计（Magnetometer）通常仅限于提供方向数据，但本研究展示了一种新方法，能够通过附加磁铁来识别和描述空间隔离的身体附肢的运动。

传统生物记录研究的一个常见目标是测量被标记动物的行为状态。动物运动通常对特定行为具有独特性，生物记录标签经常被用来通过设备本身的运动间接测量个体的行为。从这些数据中，识别广泛的行为分类（如潜水和滑翔）通常很简单。然而，从全身运动中分离出更具体的、由运动学驱动的行为（例如，呼吸、觅食、鳍推进）则颇具挑战性。因此，需要新的方法和途径来直接测量特定行为，或更清晰地将运动与其功能联系起来，以增进我们对物种生态学和环境相互作用的理解。

基于运动的行为推断的一个主要挑战是，标签通常只提供单个附着点（通常靠近质心）的数据。这导致了两个显著挑战：（1）主动运动和行为通常需要多个空间隔离的身体部位的协调；（2）关键的生态生理行为（如呼吸和觅食）通常发生在远离质心的位置。这些挑战意味着必须通过测量单个且遥远身体位置的运动指标来推断关键行为。

为了突破这些局限，研究人员开展了一项创新性的研究，其核心在于利用磁力计作为邻近传感器，通过测量附着在身体另一部位的磁铁所产生的磁场强度（Magnetic Field Strength, MFS）变化，来精确量化远端附肢的运动。这项研究旨在证明这种磁测量方法在测量多种重要动物行为方面的广泛潜力。

为了开展研究，研究人员主要运用了几项关键技术方法。首先是传感器与磁铁的选择与配置，需综合考虑设备尺寸、重量对动物的影响、目标行为特征以及磁铁方向对测量信号的影响。其次是对磁力计-磁铁系统进行校准（Calibration），建立MFS与磁铁距离之间的定量关系模型（d = [(x1)/(M(o)-x3)]^0.5 - x2），并进一步将距离转换为关节角度（a = 2•arcsin(0.5d/L)×100）。实验在四个分类学上多样化的动物物种上进行：利用Axy 5 XS标签和钕磁铁测量扇贝（Argopecten irradians）的瓣膜角度、夏季比目鱼（Paralichthys dentatus）的鳃盖运动、平滑狗鲨（Mustelus canis）的颌角 during foraging，以及利用ITag和鳍上磁铁测量鱿鱼（Loligo forbesii）的鳍和喷水推进运动。数据分析涉及快速傅里叶变换（FFT）识别节律、方差分析（ANOVA）比较不同运动模式等统计方法。

Valve angle

研究人员通过将传感器固定在上壳瓣、磁铁固定在下壳瓣，成功连续测量了海湾扇贝的瓣膜开合行为。校准曲线显示MFS与瓣膜张开距离呈显著相关（F检验, p<0.001, 调整r2=0.99）。对总计502小时的数据分析表明，扇贝频繁执行快速闭壳行为（平均13.7±3.7次/小时）。通过快速傅里叶变换（FFT）分析发现，所有扇贝的平均标准化瓣膜角度表现出昼夜节律（Circadian rhythm），夜间瓣膜张开角度显著大于白天。这表明磁测量法能够实现从秒到天尺度的连续瓣膜角度测量，揭示了扇贝行为的时间动态。

Ventilation

在测量鱼类呼吸速率方面，研究人员将标签固定在比目鱼的鳃盖（Operculum）上，磁铁固定在鳃盖后方的身体上。校准结果显示MFS与鳃盖角度显著相关（F检验, p=0.0032, 调整r2=0.98）。数据显示，代表口腔泵吸（Buccal pumping）的鳃盖运动在通过磁测量法得到的鳃盖角度信号中产生了清晰的周期性信号。同时，标签内更高频率（100 Hz）的加速度计也测量到了相同频率的鳃盖运动。对一小段数据的FFT分析显示，主要的频率成分是0.47 Hz（周期2.1秒），验证了该方法的有效性。

Foraging

在量化摄食行为方面，研究人员将标签固定在狗鲨的下颌，磁铁固定在上颌相应位置。颌角与MFS显著相关（F检验, p<0.001, 调整r2=0.99）。在实验中，标记的动物共进行了36次摄食。磁测量数据使得能够测量整个摄食事件中的颌角变化过程：当猎物进入口中时，颌角初始增加，并在猎物被完全处理前保持抬升状态。明显的加速度峰值出现在猎物处理期间，反映了与咀嚼相关的离散头部和颌部运动。结合颌角数据（摄食时颌角保持开放）和加速度数据，可以很好地将摄食行为与类似加速度信号的非摄食行为（如快速转弯，此时颌角保持闭合）区分开来。对猎物处理时间（从颌角开始增加到最后一个咀嚼加速度峰值之间的持续时间）的分析显示，对于黑海鲈（Centropristis striata） prey，处理时间与猎物大小呈正相关（线性回归, 调整r2=0.87, p=0.002），但对于鱿鱼猎物则无显著关系。

Propulsion

在测量推进行为方面，研究人员在鱿鱼的套膜腔（Mantle cavity）上安装ITag，并在一个侧鳍上安装小型磁铁，以同时测量鳍和喷水推进。通过视觉评估和统计分析，从286个喷水推进事件中识别出三种显著的推进游泳模式（Gait）。Gait 1的特征是高频喷水（0.89±0.2 Hz）和较高的峰值涌浪加速度（Surge acceleration, 0.26±0.1 g），但MFS变化较小，表明鳍活动幅度低。Gait 2表现出明显的MFS峰值，表明鱿鱼执行了高幅度的鳍波或鳍拍动，喷水频率中等（0.61±0.1 Hz），峰值加速度也较高（0.21±0.07 g），且喷水与鳍推进器协调一致。Gait 3的鳍运动幅度也很高，但涌浪信号冲击性较小，峰值宽度更大，喷水频率最低（0.49±0.1 Hz），峰值加速度也最低（0.069±0.02 g）。值得注意的是，尽管Gait 3的峰值加速度较低，但鱿鱼向前加速的时间比例（0.49±0.04）显著高于Gait 1和Gait 2。这些结果表明了鱿鱼在不同情境下采用的不同推进策略。

研究结论与意义

本研究系统地证明了动物携带式磁力计作为邻近传感器的能力，能够实现对传统上难以原位观察的关键行为（如瓣膜角度、呼吸速率、觅食和附肢推进）的直接测量。这种方法通过获取远端附肢的运动数据，减少了对复杂全身运动分析推断行为的依赖，从而能够更直接、更精确地量化行为。

该研究的重要意义在于多个方面。首先，它极大地扩展了生物记录技术的应用范围，使得能够对小型、脆弱的附肢进行测量，这为研究以往未被充分研究的海洋物种体型等级开辟了新的可能性。其次，所获得的高分辨率行为数据为了解动物的生态生理学（Ecophysiology）（如扇贝的昼夜节律、鱼类的呼吸代谢）、生物力学（如鱿鱼不同推进模式的效率）以及对环境干扰（如人为噪声）的行为响应提供了前所未有的细节。例如，发现扇贝瓣膜开角存在昼夜节律，以及狗鲨处理硬骨鱼类猎物时间与猎物大小相关，而处理软体动物猎物则无关，这些都是新的生态学见解。

此外，该方法具有普适性，可应用于分类学上多样化的物种，从底栖双壳类到活跃的中上层头足类，从硬骨鱼类到软骨鱼类，展示了其强大的跨类群应用潜力。结合加速度计等传感器，磁测量法能够提供更全面的行为画面，并有效区分相似运动信号背后的不同行为（如摄食咀嚼与爆发游泳）。

当然，研究也指出了应用该方法时需考虑的关键因素，包括校准的重要性、传感器采样率的选择（建议至少16 Hz以捕获行为细节）、磁铁引入对动物地磁感应（Magnetoreception）的潜在影响（建议短期、可逆安装）以及可能对传统方向测量等带来的权衡。未来的研究可以结合更高分辨率的传感器和更精确的校准，以同时测量身体中部动力学、远端附肢运动以及并发的附肢角度，从而更全面地理解自由活动动物的运动和行为。

总之，这项发表在《Animal Biotelemetry》上的研究提出并验证了一种创新且强大的工具，它通过相对较小的磁铁实现了对动物关键行为的新型原位测量，显著增进了我们对动物在自然环境中如何生活、移动和互动的理解，并为应对日益增多的人为环境压力下的动物行为研究提供了新的技术途径。