SOFTWARE PARA ANÁLISE COMPORTAMENTAL DE INSETOS EM MOVIMENTO LÚCIO ANDRÉ DE CASTRO JORGE 1 ROGÉRIO ALAN CRUZ 1 MARIA CAROLINA BLASSIOLI MORAES 2 RAUL LAUMANN 2 LUIS PALHARES 2 MIGUEL BORGES 2 RESUMO A Ecologia Química Aplicada é definida como uma área de pesquisa onde estão integrados estudos biológicos, comportamentais e químicos para o emprego de semioquímicos em agroecossistemas. Após o advento, em 1959, da identificação do primeiro feromônio sexual, produzido pela mariposa Bombyx mori (bicho-da-seda), vários trabalhos seguiram com identificação de feromônios de várias outras espécies de insetos e vários caminhos para o seu emprego no manejo de pragas foram estabelecidos. Atualmente seus produtos correspondem a um mercado de US$ 80 milhões, sendo importantes no mercado de biopesticidas, correspondendo a 30% do mesmo. A evolução da ecologia química foi acelerada na última década com o advento de tecnologias emergentes e técnicas de instrumentação, tanto para análise como para diagnósticos. Dessa forma, esse trabalho apresenta o software desenvolvido para análise de comportamento de insetos através de imagens para estudos da olfação de insetos. O principal resultado deste sistema é a obtenção da avaliação consistente dos compostos químicos no comportamento dos insetos. Dessa maneira, pode-se determinar a composição precisa de uma mistura feromonal que induza modificação no comportamento do inseto alvo, seja na atração e cópula, seja agregação ou dispersão. PALAVRAS-CHAVE: Processamento digital de imagens, feromônio, análise de movimento, controle biológico. SOFTWARE FOR INSECTS MOVEMENT ANALYSIS ABSTRACT The Applied Chemical Ecology is defined as a research area where integrated biological studies, behavior and chemical for the employment of chemical uses in agro systems. After the first sexual pheromone identification, in 1959, produced by the moth Bombyx mori (silkworm), several works proceeded with identification of pheromone of several other species of insects and several roads for your employment in the handling of curses they were established. Now your products correspond the US$ 80 million of the world market being one of the most important in the biochemical market, i.e., corresponding with 30% of the same. The evolution of the chemical ecology was accelerated in the last decade with the coming of emergent technologies of instrumentation for analysis and for diagnoses. In that way, that work presents 1 Pesquisador, Embrapa Instrumentação Agropecuária, São Carlos, SP lucio@cnpdia.embrapa.br; 2 Pesquisador, Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia, Brasília DF.
the software developed for analysis of behavior of insects through images for studies of the sense of smell of insects. The principal result of this system is the obtaining of the consistent evaluation of the chemical compositions in the behavior of the insects. Thus, it can be determined the composition of a pheromone mixture that induces modification in the behavior of the white insect, be in the attraction and sexual intercourse, be aggregation or dispersion. KEYWORDS: Digital Image Processing, pheromone, movement analysis, biological control. 1. INTRODUÇÃO A demanda social pelo meio ambiente e alimentos livres de pesticidas, herbicidas e reguladores do crescimento têm imposto à ciência um novo paradigma de exploração dos recursos naturais à disposição da agricultura. A descoberta das substâncias que intermediam as relações entre organismos, denominadas semioquímicos, associada a estudos biológicos das espécies envolvidas, pode permitir o desenvolvimento de novos produtos para uso no manejo integrado de pragas. Pesquisas com semioquímicos para o controle biológico exigem não só a identificação e isolamento do semioquímicos, mas também o estudo do comportamento dos insetos em relação a esses semioquímicos. Testes demonstrando a atividade comportamental dos componentes químicos são essenciais para a compreensão completa da sua função e dos mecanismos comportamentais do inseto diante ao estímulo químico, permitindo avaliar a viabilidade do uso destes semioquímicos no controle biológico. Para isto é necessário monitorar o comportamento do inseto, o que, tradicionalmente, é feito através da observação visual e registro manual pelo pesquisador. A implementação de bioensaios manuais tem baixo custo e muitas vezes é a única forma de documentar alguns experimentos. No entanto, para um estudo detalhado do comportamento dos insetos esse processo é laborioso e sujeito a erros devido a grande subjetividade em que estão envolvidas as conclusões obtidas. O registro preciso e a análise do movimento do inseto realizado em resposta ao estímulo oferecido é difícil, particularmente se taxas de movimento e mudanças na direção são de interesse. Um sistema de alta eficiência para monitoramento do comportamento de insetos deve seguir os movimentos do inseto em tempo real e armazenar todas as informações possíveis como: tempo de residência em cada área da região monitorada, a velocidade, a tortuosidade e
linearidade com que o inseto caminha quando estimulado. Este tipo de monitoramento é praticamente impossível de ser realizado por observação direta e registro simultâneo, sem a utilização de nenhum aparelho específico. Uma alternativa é utilizar softwares para o monitoramento do comportamento dos animais. Há alguns softwares, que permitem o monitoramento em tempo real do inseto e medem uma série de parâmetros importantes para a análise das respostas comportamentais. Entre eles o Ethovision da Noldus (Noldus et al, 2000; 2002) e o X-bug (Colazza et al, 1999), são especialmente desenvolvidos para pesquisas na área de entomologia. O primeiro é um software comercial, de custo muito alto, com ferramentas que permite o estudo de até 16 animais ao mesmo tempo, o segundo é um software desenvolvido pela equipe do Dr. Steffano Colazza, feito para ambiente Linux, mas com código fonte não liberado e que apresenta algumas limitações como: somente insetos com comportamento e tamanho próximo ao de vespas parasitas (0,1 a 15 mm) são monitorados com precisão e eficiência, insetos maiores e com movimentos muito rápidos não são registrados. A análise por computador através de imagens de vídeo de animais em movimento foi desenvolvida por Miller et al. (1982). Desde então uma série de pacotes e ferramentas vem sendo desenvolvida para diferentes animais.vigneualt et al (1990) descreveu um sistema para medir bolhas em tempo real que foi adaptado para o monitoramento de insetos. No entanto, este sistema requer um sistema de iluminação relativamente caro e praticamente não é usado pelos pesquisadores. Hoy et al (1996) desenvolveram um software cujo algoritmo tinha como base a obtenção de uma imagem referência sem o inseto, que é usada como comparação para as imagens tomadas com o inseto, de forma que o computador entende o inseto como um pixel. Este é o mesmo processo usado pelo software X-bug, desenvolvido por Colazza et al, em 1999, e um dos processos disponíveis no Etheovison. Este último tem três sistemas diferentes de monitoramento (Noldus et al 2002). O objetivo deste trabalho foi apresentar o software desenvolvido para análise e monitoramento do comportamento de insetos através de imagens, quando os mesmos estão expostos a estímulos de diferentes naturezas (olfativos, visuais ou vibracionais).
2. MATERIAIS E MÉTODOS O software possui ferramentas para monitorar diferentes tamanhos de insetos em diversas situações e permite analisar parâmetros comportamentais como velocidade, tortuosidade, velocidade linear, entre outros. O software permite o monitoramento contínuo ou poderá inserir uma programação de monitoramento, com intervalos e espaços definidos. O desenvolvimento está sendo feito em Delphi e em C++ Builder em sistema operacional Windows. Uma câmera de vídeo CCD e uma WEBCAM são utilizadas para registrar a área na qual o inseto está ou será inserido e a saída de vídeo é digitalizada por uma placa de captura de imagem em computador. O software analisa cada frame para distinguir o objeto alvo do plano de fundo. Uma vez detectado o objeto o software captura as coordenadas x e y e calcula o centro do objeto e sua área superficial. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO O desenvolvimento de um software para trabalhar com os principais insetos-praga e seus inimigos naturais presentes nas culturas brasileiras seria um grande avanço para os pesquisadores brasileiros, que atualmente fazem bioensaios visuais e manualmente. O desenvolvimento no ambiente Windows, apesar de ser um sistema operacional que não é livre, se justifica uma vez que a maior parte das faculdades, escolas e institutos de pesquisa trabalham com esta plataforma. Isto não inviabiliza que o software tenha seu código fonte livre e seja instalado e desinstalado a qualquer momento. O desenvolvimento para Linux também será conduzido, numa segunda fase, levando em consideração a grande expansão no uso deste sistema operacional nos últimos anos. Com o desenvolvimento deste software espera-se que os pesquisadores brasileiros que trabalham na área de comportamento de insetos tenham acesso a uma ferramenta, hoje não disponível ou inaccessível pelo custo, de uso geral para estudos de diferentes insetos e nas mais diversas situações, como: resposta a compostos químicos e outros estímulos, interações intra e interespecíficas, comportamento reprodutivo, comportamento de forrageamento, entre outros. Na figura 1 pode-se observar a interface do software de captura de imagens e análise de movimento de insetos. E na figuras 2a e 2b pode-se observar o olfatômetro construído para os testes em laboratório e as trilhas dos insetos registradas.
Figura 1: Interface do software de captura de imagens e análise de movimento de insetos. Figura 2: Janela de visualização do rastreamento e identificação da posição em tempo real num olfatômetro em formato Y e a janela de visualização do tracking ou trajetória descrita pelo rastreamento do inseto em tempo real. 4. CONCLUSÕES O software desenvolvido se encontra em fase de testes e ajustes na Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia para levantamento de requisitos adicionais ou mesmo teste de interface com o usuário. No final de 2005 espera-se estar disponibilizando o mesmo pela internet.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Colazza, S., Fuccarino, A., Peri, E., Salerno, G., Conti, E. And Bin, F. 1999. A video tracking and motion analysis system for Linux. Procedings of XII International Entomophagous Insect Workshop, Asilomar, CA, U.S.A. 26-30. Hoy, J.B., Koehler, P.G. and Patterson, R.S. 1996. A microcomputer-based system for real-time analysis of animal movement. J. of Neuroscience Methods 64: 157-161. Miller, D.C., Lang, W.H., Greaves, J.O.B. and Wilson, R.S. 1982. Investigation in aquatic behavioural toxicology using a computerized video quantification system. In: J.G. Pearson, R.B. Foster and W.E. Bishop (Eds.) Aquatic Toxicology and Hazard Assesment: Fifth Conference, ASTM STP 766, American Society for Testing and Materials, ppp. 106-220. Noldus, L.P.J.J., Spink, A.J. and Tegelenbosch, R.A.J. 2002. Computerised vídeo tracking, movement analysis and behaviour recognition in insects. Computers and Electronics in Agriculture 35:201-227. Noldus, LPJJ, Trienes, RJH, Hendriksen, AHM, Jansen, H and Jansen, RG. 2002. The Observer Video-Pro: New software for the collection, management, and presentation of time-structured data from videotapes and digital media files. BEHAVIOR RESEARCH METHODS INSTRUMENTS & COMPUTERS 32 (1): 197-206. Vigneault, C. Panneton, B., Rahavan, G.S.V. 1990. Real-time digitizing system applied to air bubble gnerator characterization. ASAE Paper 90-3535. ASAE, Dt. Joseph, MI.