Kiedy twój obiekt RTG ma skrzydła - zagląda do wnętrza owadów z zaawansowanym źródłem fotonów

Anonim

Powoli trzepocząc pomarańczowymi i czarnymi skrzydłami, monarcha motyl popija płyn z błota. Jego trąba - ustnik, który wysysa płyny - przeciera wilgotną glebę. Przez lata biolodzy wiedzieli, że motyle pobierają ciecze z powierzchni o porach inaczej niż z kwiatów. Ale nie mieli możliwości zaobserwowania tych różnic.

"Biolodzy wiedzieli o tym trybie karmienia, ale nie mieli narzędzi, by obserwować, co się dzieje" - powiedziała Daria Monaenkova, która studiowała to zachowanie jako absolwentka na Clemson University.

Same mikroskopy nie mogły ujawnić tego, co Monaenkova chciała zbadać. Ale stosunkowo nowa technika z użyciem niezwykle wydajnego promieniowania rentgenowskiego okazała się właśnie tym. Korzystając z zaawansowanego źródła Photon Source DOE, ośrodka użytkownika Office of Science w Argonne National Laboratory, Monaenkova i inni naukowcy byli w stanie wykonać filmy w wysokiej rozdzielczości z wnętrza żywych owadów.

Przez ostatnią dekadę APS było domem dla naukowców specjalizujących się w biomechaniźmie owadów, aby robić badania, których nie mogą robić nigdzie indziej. Naukowcy badający motyle, komary i chrząszcze wykorzystali APS, aby odkryć nowy wgląd w ich funkcjonowanie i potencjalnie inspirować technologię opartą na tych funkcjach.

Real-Life X-Ray Vision

Naukowcy, którzy badają owady, potrzebują narzędzi, które mogą przeglądać twarde szkielety zewnętrzne, ujawniają cechy tkanki miękkiej, ruchy rejestracyjne, które mają tysięczną sekundy długości i pokazują szczegóły o długości jednej milionowej metra. Przede wszystkim muszą uchwycić, jak te systemy działają w czasie rzeczywistym. Zwykłe mikroskopy nie spełniają wielu z tych potrzeb.

Ale promieniowanie rentgenowskie, które są produkowane przez akceleratory cząstek, może. Tak jak lekarze wykorzystują promieniowanie rentgenowskie, aby zajrzeć do ludzkich ciał, naukowcy mogą wykorzystać je do spojrzenia w ciała owadów. Promienie rentgenowskie są szczególnie przydatne do wykonywania zdjęć struktur o różnych gęstościach, takich jak aparaty gębowe i układy trawienne.

Nie zrobi tego żadne prześwietlenie. Naukowcy nie mogą kontrolować zwykłych promieni rentgenowskich na tyle, aby przeprowadzić te eksperymenty. Ale źródła światła w biurowym ośrodku naukowym Urzędu wytwarzają niezwykle silne promieniowanie rentgenowskie, które zapewnia naukowcom bardzo dobrą kontrolę. W przypadku APS wystarczy kontrola, aby zajrzeć do wnętrza owada, nie odparowując go.

Te promienie X przenoszą się na stanowiska eksperymentalne, w których naukowcy prowadzą badania. Każda linia wiązki APS ma optykę rentgenowską, która może wybrać energię promieniowania rentgenowskiego i skupić ją na stacji, aby zaspokoić potrzeby naukowców. Promienie X przesuwają się przez badany obiekt i przechodzą do scyntylatora - specjalistycznego kryształu, który przekształca promieniowanie rentgenowskie w światło widzialne. Wysokiej klasy kamera rejestruje widoczne światło na wideo.

"To zupełnie jak nowy świat" - powiedział Jake Socha, profesor inżynierii biomechanicznej w Virginia Tech. "Prawie wszystko, co można umieścić w belce, po raz pierwszy widzisz tę perspektywę".

Nawet dla ludzi specjalizujących się w urządzeniach rentgenowskich klarowność obrazów jest zaskakująca. Wah-Keat Lee, badacz promieniowania rentgenowskiego, który był w APS i jest teraz w NSLS-II, innym obiekcie użytkownika Office of Science, był pionierem tej techniki. Opisując, kiedy po raz pierwszy zobaczył wyniki, powiedział: "Klarowność wewnętrznych struktur małego owada była dość fenomenalna".

APS osiąga tę klarowność dzięki bardzo intensywnej, wysokoenergetycznej, ciasnej wiązce, która ma również wysoki połysk (ilość światła, jaką może skupić na danym miejscu w danym czasie). Podobnie jak aparat o dużej szybkości migawki, który wymaga dużo światła, blask jest ważny dla robienia wyjątkowo szybkiego ruchu. W jednym eksperymencie naukowcy zarejestrowali obraz rentgenowski z szybkością ponad 10 000 klatek na sekundę. Filmy w salach komercyjnych mają zazwyczaj 24 klatki na sekundę.

"Źródła światła wciąż mają ogromną przewagę w szybkości", powiedział Socha, porównując je do innych technologii obrazowania.

Co najważniejsze, źródła światła mogą wykonywać obrazowanie z kontrastem fazowym. Normalne urządzenia rentgenowskie polegają na tym, że gęste przedmioty - jak kości - absorbują wiele promieni X. Te zdjęcia rentgenowskie nie docierają do detektora, a fragmenty obrazu są ciemne. Ale owady nie mają niczego tak gęstego jak kość. W rezultacie ich ciała pochłaniają mniej promieniowania X i nie będą wytwarzać ostrego obrazu. Obrazowanie rentgenowskie z kontrastem fazowym rozwiązuje ten problem. Mimo że lekkie obiekty nie pochłaniają wielu promieni X, zmieniają swoje fale. Ponieważ detektory fazowo-kontrastowe mogą mierzyć te zmiany, są one bardziej wrażliwe na niewielkie różnice w gęstości niż tradycyjne maszyny. W rzeczywistości, używając obrazów z APS, naukowcy mogli rozróżnić płyny i powietrze w kanale pokarmowym owada.

"Przeniesie cię z niewyraźnego obrazu kropelki na naprawdę ostry obraz owada" - powiedział Socha.

Badając wewnętrzne działania owadów

Podczas gdy naukowcy badający obiekty nieożywione przy źródłach światła muszą radzić sobie z wieloma wyzwaniami, przynajmniej nie muszą się martwić, że odlecą.

Zanim będą mogli poradzić sobie z samych owadów, naukowcy muszą zdecydować się na ustawienia maszyny, które dają najlepsze obrazy i najmniej szkodzą owadom. Im dłuższa długość fali promieniowania rentgenowskiego, tym lepszy kontrast. Podobnie, im bardziej intensywna jest wiązka, tym jaśniejszy i wyraźniejszy obraz. Ale im dłuższa długość fali i im bardziej intensywna wiązka, tym bardziej promieniowanie rentgenowskie uszkadza owady. Te obrażenia mogą sprawić, że owad stanie się nienaturalnie lub ich zabije. (Podczas gdy naukowcy często zabijają błędy po zakończeniu badania, nie chcą, aby umarli w trakcie).

Wczesne badanie, w którym testowano różne owady, wykazało, że chociaż pięć minut pod belką nie miało negatywnego wpływu na większość gatunków, ponad 20 minut czasowo sparaliżowało je. Nawet przy poprzednich badaniach zespoły nadal spędzają pierwsze sześć do ośmiu godzin na APS decydując o ustawieniach eksperymentu.

"Jest wiele prób i błędów, nie wejdziesz tam w ciągu pół godziny od rozpoczęcia konfiguracji i zaczniesz zbierać dane" - powiedział Matthew Lehnert, entomolog z Kent State University.

Kolejne wyzwanie polega na zatrzymaniu ich obiektów latających i pełzających.

"Nie możesz po prostu usiąść przed belką i powiedzieć:" Nie ruszaj się "- powiedział Lehnert.

Po wybiciu owadów za pomocą gazu azotowego lub ich schłodzeniu, naukowcy wykorzystują zaskakująco niskie techniki, aby przymocować je do platform. Niektórzy badacze przypinają je lub otaczają bawełną lub modeliną. Naukowcy badający komary przyczepiali je do powierzchni za pomocą lakieru do paznokci. Artykuł nawet cytuje markę, dla innych badaczy mających nadzieję na odtworzenie pracy.

"Lakier do paznokci to doskonałe narzędzie do laboratorium" - mówi Socha.

Następna jest motywowanie owadów do wykonywania pożądanego zachowania. W przypadku motyli i komarów naukowcy chcieli obserwować swoje nawyki żywieniowe. Ale normalny roztwór cukru nie pojawi się na zdjęciu rentgenowskim. Naukowcy pracowali z pracownikami APS, aby wybrać formę jodu, którą mogliby zmieszać z roztworem cukru, co pozwoliłoby uzyskać wyraźny obraz, a motyle chętnie zjedzą.

W przypadku chrząszczy bombardierskich naukowcy chcieli zrozumieć, w jaki sposób mogą wytwarzać, ogrzewać i strzelać ciekłym sprayem w temperaturze zbliżonej do wrzenia. Ale chrząszcze nie rozpylają się na komendę. Niektórzy rozpylali się, gdy tylko się obudzili, zaskoczeni faktem, że zrobili im zdjęcie rentgenowskie. Z innymi naukowcy musieli je szturchać szpilką.

Chociaż proces ten nie jest przyjemny dla pojedynczych owadów, to, czego uczą się naukowcy, może pomóc im lepiej zrozumieć cały gatunek i jego ewolucję jako całość.

Motyle, chrząszcze i komary, Oh My

Powstałe obrazy sprawiły, że eksperymenty były tego warte.

W przypadku motyli Monaenkova i jej koledzy odkryli, że trąbka działa jak kombinacja gąbki i słomy. Struktura przypominająca gąbkę na końcu trąby tworzy działanie kapilarne, zdolność cieczy do płynięcia w górę bez siły ssącej. To pomaga motylowi rozpocząć proces pobierania cieczy z porowatych materiałów, małych kropelek i kałuż. Mechanizm w głowie motyla pompuje ciecz przez słomianą część trąby.

"Bez tego narzędzia badania, które przeprowadziliśmy, nie byłyby możliwe", powiedział Monaenkova.

Odkrycie to może pomóc naukowcom w opracowaniu nowej technologii dla narzędzi, które wychwytują ciecze lub dostarczają leki ludziom.

W przypadku komarów naukowcy odkryli także nowy sposób żywienia. Głowice komarów mają dwie różne pompy, które zasysają płyn. Patrząc na to, które części zawierają w sobie pożywienie, naukowcy zorientowali się, ile każda pompa wniosła do ogólnego przepływu. Znaleźli nowy sposób ssania, który jest 27 razy silniejszy od zwykłego. Dalsze badania w tej dziedzinie mogą pomóc naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób komary przenoszą choroby, takie jak wirus Zika.

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology i University of Arizona, badający chrząszcze bombardierami, chcieli prześledzić każdy etap reakcji chemicznej prowadzącej do rozpylania chrząszczy. Mapowanie, w jaki sposób pary, rozwinięte i przeniesione pomogły im zrozumieć, w jaki sposób ciało żuczka kontroluje proces.

W każdym przypadku APS ujawnił mechanizmy, których naukowcy nie mieli innego sposobu badania.

Jak powiedział Lee, "Praca, którą tu wykonaliśmy, faktycznie zmieniła podręczniki".

menu
menu