Sensoren die het energieniveau van dieren meten

Leven kost energie, en voeding levert de brandstof. Voor dieren is de hoeveelheid voedsel meestal schaars, waardoor efficiënt energieverbruik de sleutel tot succes is voor een individueel organisme. Het energieverbruik van een dier stijgt bijvoorbeeld als het vaak moet vluchten of als het wordt geconfronteerd met ziekte of ongunstige leefomstandigheden. Hoe minder energie daarvoor nodig is, hoe meer er beschikbaar is voor groei en voortplanting. Factoren als klimaatverandering, verontreiniging, ziekteverwekkers of andere verstoringen van de leefomgeving hebben invloed op het energieverbruik.

Een kleine verandering in de omgeving van het dier kan al invloed hebben op de energiehuishouding. “Bij kweekvissen en landbouwhuisdieren kan de groei hierdoor vertragen en de weerstand verlagen, zonder dat dit direct zichtbaar is.

“Ook in het wild kan een langdurige verstoring, bijvoorbeeld een krimpend leefgebied of vervuiling, in de energiehuishouding betekenen dat een individu minder fit is,” legt ecotoxicoloog Edwin Foekema uit. “Op het moment dat de gevolgen van een verstoring zichtbaar worden in bestaande monitoring, is het proces van die verstoring vaak al langere tijd aan de gang.” Bovendien is dan meer onderzoek nodig om de oorzaak te achterhalen; pas daarna kun je gerichte maatregelen nemen.

Gebruik sensoren voor informatie over energiehuishouding

Sneller weten wat er aan de hand is, bespaart tijd en voorkomt dat dieren meer last krijgen van de verstoring. Sensoren gebruiken helpt daarbij, aldus Foekema. “Sensoren geven directe informatie over de energiehuishouding van de dieren en verstoringen daarin. Daardoor kunnen kwekers of natuurbeheerders sneller actie ondernemen om de oorzaak van de verstoring aan te pakken.”

De ontwikkeling van sensoren die data kunnen verzamelen over de gezondheid van dieren en mensen gaat razendsnel. Denk bijvoorbeeld aan de populaire smartwatches die hartslag en activiteit vastleggen. De onderzoekers maken dan ook gebruik van sensoren die op dit moment al op de markt zijn en passen die toe bij mosselen en vissen. Op deze wijze meten ze gelijktijdig beweging, hartslag, ademhaling en voedselopname.

Voor de metingen aan mosselen hebben de onderzoekers gaatjes in de schelp geboord. Daar zijn kleine sensoren in vastgemaakt die het zuurstofgehalte binnen in de schelp meten. Als een mossel droog komt te liggen of als het water verontreinigd is, sluit een mossel zijn schelp om zichzelf te beschermen. Foekema: “De gedachte was dat er in de schelp dan nog wel enige tijd een zuurstofvoorraad aanwezig zou blijven. Maar nu blijkt dat die al na een paar minuten is uitgeput. De mossel moet dus vrijwel meteen overschakelen naar een stofwisseling zonder zuurstof.” Dat is minder efficiënt en minder lang vol te houden.

Bij de vissen vindt het onderzoek plaats in zwemtunnels. Sensoren binnen in de vis meten de hartslag en de activiteit bij steeds hogere snelheden. Tegelijkertijd wordt de zuurstofconsumptie gemeten en het zwemgedrag geanalyseerd. Door verschillende metingen te combineren, kunnen de onderzoekers meer zeggen over het energiegebruik als gevolg van veranderingen in de omgeving. “Mijn collega Arjan Palstra, die het onderzoek aan vis leidt, werkt samen met Noorse onderzoekers om de zuurstofspanning direct in het bloed te kunnen meten”, vertelt Foekema. “En met de Universiteit Twente ontwerpen we een biochip voor het meten van cytokines in het bloed.” Die stoffen verraden hoe een dier met z’n energie omgaat.

Digital twin

Op dit moment worden de eerste stappen gezet om de verzamelde data van elk dier te combineren in een computermodel, een zogenaamde digital twin. Dit is een virtuele versie van het dier die op basis van de sensordata laat zien hoeveel energie op een bepaald moment wordt gebruikt en aan welke activiteiten die wordt besteed. Behalve voor vissen en schelpdieren, verrichten WUR onderzoekers ook dit soort metingen bij landbouwdieren, zoals koeien. Foekema: “Het soort data is grofweg gelijk voor al die diersoorten. Daarom gaan we dit jaar starten met het gezamenlijk ontwikkelen van een basis voor digital twins van verschillende diergroepen.”

Het systeem is in eerste instantie bedoeld voor dieren in het laboratorium of op de boerderij. Maar de ultieme uitdaging is om de ontwikkelde technieken ook in het veld voor allerlei verschillende diersoorten toepasbaar te maken. “Dat doen we het liefst met een enkele sensor die zo veel mogelijk metingen tegelijk kan doen.” Schelpdieren zijn relatief makkelijk, volgens Foekema. Ze verplaatsen zich niet of nauwelijks, en op de schelp kan je makkelijk een sensor bevestigen.

Voor veel andere soorten is het een grotere uitdaging. “Dieren mogen geen last hebben van de sensoren en we moeten oplossingen vinden voor het uitlezen van de verzamelde data in het veld. Als dat lukt, dan gaat dit onderzoek ook waardevolle inzichten opleveren voor de bescherming van bedreigde diersoorten. Je zou dan bijvoorbeeld kunnen leren hoeveel energie een vis verliest door obstakels die de migratieroute blokkeren, wat er gebeurt met het energieverbruik van een vleermuis die windmolens tegenkomt, of waarom sommige diersoorten beter bestand zijn tegen klimaatverandering dan andere.”