เมื่อวัตถุเอ็กซเรย์ของคุณมีปีกติดกับแมลงที่มีแหล่งโฟตอนขั้นสูง

Anonim

กระพือปีกช้าๆปีกสีส้มและสีดำผีเสื้อพระมหากษัตริย์จะหยดน้ำจากโคลน งวงของมัน - mouthpart ที่ดูดขึ้นของเหลว - grazes ดินชื้น เป็นเวลาหลายปีนักชีววิทยารู้ว่าผีเสื้อดึงของเหลวขึ้นจากพื้นผิวที่มีรูขุมขนแตกต่างจากที่ทำจากดอกไม้ แต่พวกเขาไม่สามารถสังเกตความแตกต่างเหล่านั้นได้

"นักชีววิทยารู้ถึงโหมดการให้อาหารแบบนี้ แต่ก็ไม่มีเครื่องมือในการสังเกตสิ่งที่เกิดขึ้น" Daria Monaenkova ผู้ศึกษาพฤติกรรมนี้ในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Clemson University กล่าว

กล้องจุลทรรศน์เพียงอย่างเดียวไม่สามารถเปิดเผยสิ่งที่ Monaenkova ต้องการที่จะศึกษา แต่เทคนิคใหม่ที่ใช้รังสีเอกซ์ที่มีประสิทธิภาพมากเป็นเพียงสิ่งเดียวเท่านั้น การใช้ DOE's Advanced Photon Source ซึ่งเป็นสำนักงานของผู้ใช้งานด้านวิทยาศาสตร์ใน Argonne National Laboratory, Monaenkova และนักวิจัยคนอื่น ๆ สามารถถ่ายวิดีโอ insects of insects ที่มีชีวิตอยู่ได้

สำหรับทศวรรษที่ผ่านมา APS เป็นบ้านของนักวิทยาศาสตร์ที่เชี่ยวชาญด้านชีวกลศาสตร์แมลงในการทำวิจัยที่พวกเขาไม่สามารถทำอะไรได้เลย นักวิทยาศาสตร์ศึกษาผีเสื้อยุงและด้วงได้ใช้ APS เพื่อเปิดเผยข้อมูลเชิงลึกใหม่ ๆ เกี่ยวกับวิธีการทำงานของพวกเขาและอาจสร้างแรงบันดาลใจในเทคโนโลยีตามหน้าที่ดังกล่าว

วิสัยทัศน์ X-Ray ในชีวิตจริง

นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาแมลงต้องใช้เครื่องมือที่สามารถมองผ่านโครงกระดูกที่แข็งของพวกเขาเผยให้เห็นคุณสมบัติของเนื้อเยื่ออ่อนเคลื่อนไหวที่บันทึกเป็นพัน ๆ วินาทียาวและแสดงรายละเอียดที่ยาวหนึ่งล้านที สิ่งสำคัญที่สุดคือพวกเขาจำเป็นต้องจับภาพว่าระบบเหล่านี้ทำงานอย่างไรในแบบเรียลไทม์ กล้องจุลทรรศน์ปกติไม่สามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ได้

แต่ซิงโครตรอนเอ็กซ์เรย์ซึ่งผลิตโดยเครื่องเร่งอนุภาค เช่นเดียวกับที่แพทย์ใช้รังสีเอกซ์ในร่างกายมนุษย์นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้มันเพื่อมองเข้าไปในแมลงได้ รังสีเอกซ์มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการถ่ายภาพโครงสร้างที่มีความหนาแน่นต่างกันเช่น mouthparts และระบบทางเดินอาหาร

ไม่เพียง แต่เอ็กซ์เรย์เท่านั้นที่จะทำ นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถควบคุมลำแสงรังสีเอกซ์ได้เพียงพอที่จะทำการทดลองเหล่านี้ แต่แหล่งที่มาของสถานที่ต่างๆของผู้ใช้ Office of Science จะผลิตรังสีเอกซ์ที่มีพลังพิเศษเพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมได้อย่างดี ในกรณีของ APS สามารถควบคุมแมลงได้โดยไม่ทำให้เกิดการระเหย

รังสีเอกซ์เหล่านี้เคลื่อนเข้าสู่สถานีทดลองซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทำการศึกษา ลำแสง APS แต่ละลำมีเลนส์เอ็กซ์เรย์ที่สามารถเลือกพลังงานของ X-ray และมุ่งเน้นไปที่สถานีเพื่อตอบสนองความต้องการของนักวิทยาศาสตร์ รังสีเอกซ์เคลื่อนที่ผ่านวัตถุที่กำลังศึกษาอยู่และไปสู่แสงไฟเป็นประกายซึ่งเป็นผลึกพิเศษที่แปลงรังสีเอกซ์ให้กลายเป็นแสงที่มองเห็นได้ กล้องถ่ายรูประดับไฮเอนด์สามารถจับภาพแสงที่มองเห็นได้บนวิดีโอ

"มันเหมือนกับโลกใหม่ที่เปิดเผยออกมา" Jake Socha, ศาสตราจารย์วิศวกรรมชีวกลศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียเทคกล่าว "เกือบทุกสิ่งทุกอย่างที่คุณสามารถใส่เข้าไปในลำแสงได้คุณเห็นมุมมองใหม่ ๆ เป็นครั้งแรก"

แม้แต่คนที่เชี่ยวชาญในเครื่อง X-ray ความชัดเจนของภาพก็น่าแปลกใจ Wah-Keat Lee นักวิจัยเอ็กซ์เรย์ซึ่งอยู่ใน APS และตอนนี้อยู่ที่ NSLS-II ซึ่งเป็นผู้ใช้ Office of Science ที่แตกต่างกันเป็นผู้บุกเบิกเทคนิคนี้ อธิบายครั้งแรกที่เขาเห็นผลลัพธ์เขากล่าวว่า "ความชัดเจนของโครงสร้างภายในของแมลงขนาดเล็กเป็นปรากฏการณ์ที่ค่อนข้าง"

APS บรรลุความชัดเจนนี้ด้วยลำแสงที่มีพลังงานสูงและมีพลังงานสูงมากซึ่งมีความสว่างสูง (ปริมาณแสงที่สามารถโฟกัสไปที่สถานที่เฉพาะเจาะจงได้ในเวลาใดเวลาหนึ่ง) เช่นเดียวกับกล้องที่มีความเร็วชัตเตอร์สูงซึ่งต้องใช้แสงเป็นจำนวนมากความสามารถในการรับแสงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการจับภาพการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วมาก ในการทดลองหนึ่งครั้งนักวิทยาศาสตร์ได้บันทึกวิดีโอ X-ray ในอัตรามากกว่า 10, 000 เฟรมต่อวินาที ภาพยนตร์ที่โรงภาพยนตร์ทั่วไปมี 24 เฟรมต่อวินาที

Socha กล่าวว่า "แหล่งกำเนิดแสงยังคงมีข้อดีอย่างมากในด้านความเร็ว" เปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการถ่ายภาพอื่น ๆ

สิ่งสำคัญที่สุดคือแหล่งกำเนิดแสงสามารถทำภาพความแตกต่างระหว่างเฟส เครื่องเอ็กซ์เรย์ธรรมดาขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าวัตถุที่หนาแน่นเช่นกระดูกดูดซับรังสีเอกซ์จำนวนมาก รังสีเอกซ์เหล่านี้ไม่ถึงตัวตรวจจับและส่วนต่างๆของภาพออกมามืด แต่แมลงไม่มีอะไรที่หนาแน่นเท่ากระดูก เป็นผลให้ร่างกายของพวกเขาดูดซับรังสีเอกซ์น้อยลงและจะไม่ทำให้เกิดภาพที่คมชัด การถ่ายภาพรังสีเอกซ์แบบ phase-contrast ช่วยแก้ปัญหานี้ได้ แม้ว่าวัตถุที่มีแสงไม่ดูดซับรังสีเอกซ์จำนวนมาก แต่ก็เปลี่ยนคลื่นได้ เนื่องจากเครื่องตรวจจับความแตกต่างเฟสสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้พวกเขาจึงมีความไวต่อความหนาแน่นน้อยกว่าเครื่องดั้งเดิม ในความเป็นจริงการใช้ภาพจาก APS นักวิทยาศาสตร์สามารถแยกความแตกต่างระหว่างของเหลวและอากาศในคลองอาหารของแมลง

"มันจะนำคุณจากภาพเลือนของหยดไปเป็นภาพที่คมชัดจริงๆของแมลง" Socha กล่าว

ตรวจสอบการทำงานภายในของแมลง

ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษาวัตถุที่ไม่มีชีวิตที่แหล่งกำเนิดแสงต้องรับมือกับความท้าทายจำนวนมากอย่างน้อยก็ไม่ต้องกังวลว่าพวกมันจะบินหนีไป

ก่อนที่จะสามารถจัดการกับแมลงได้เองนักวิจัยต้องตัดสินใจเกี่ยวกับการตั้งค่าของเครื่องเพื่อให้ได้ภาพที่ดีที่สุดและเป็นอันตรายต่อแมลงน้อยที่สุด ยิ่งความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์มีความคมชัดเท่าไร ในทำนองเดียวกันคานที่รุนแรงมากขึ้นให้ภาพสว่างขึ้นและชัดเจนยิ่งขึ้น แต่ความยาวคลื่นที่มากขึ้นและลำแสงที่รุนแรงมากขึ้นรังสีเอกซ์จะทำลายแมลงมากขึ้น ความเสียหายนี้สามารถทำให้แมลงกระทำผิดธรรมชาติหรือฆ่าพวกมัน (ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์มักฆ่าแมลงหลังจากการศึกษาเสร็จสิ้นพวกเขาไม่ต้องการให้พวกเขาตายไปสักระยะหนึ่ง)

การศึกษาในช่วงต้นที่ทดสอบแมลงหลายชนิดพบว่าในขณะที่ห้านาทีใต้ลำแสงดูเหมือนจะไม่ส่งผลเสียต่อสปีชีส์ส่วนใหญ่กว่า 20 นาทีจะเป็นอัมพาตชั่วคราว แม้จะมีการวิจัยก่อนหน้านี้ทีมงานยังคงใช้เวลาหกถึงแปดชั่วโมงแรกที่ APS ตัดสินใจเลือกการตั้งค่าของการทดสอบ

"มีการทดลองและข้อผิดพลาดเป็นจำนวนมากคุณจะไม่ไปที่นั่นภายในครึ่งชั่วโมงของการตั้งค่าและเริ่มเก็บรวบรวมข้อมูล" แมทธิว Lehnert นักกีฏวิทยาที่ Kent State University กล่าว

ความท้าทายต่อไปคือการเก็บวัตถุที่บินและคลานไปเรื่อย ๆ

"คุณไม่เพียงแค่นั่งอะไรข้างลำแสงและพูดว่า" อย่าย้ายไป "Lehnert กล่าว

หลังจากที่เคาะแมลงโดยใช้ก๊าซไนโตรเจนหรือทำให้เย็นตัวพวกเขานักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคที่ใช้เทคโนโลยีชั้นต่ำอย่างไม่น่าเชื่อเพื่อยึดติดกับแพลตฟอร์ม นักวิจัยบางคนปักพวกเขาลงหรือล้อมรอบพวกเขาด้วยผ้าฝ้ายหรือแบบจำลองดินเหนียว นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษายุงติดพื้นผิวด้วยยาทาเล็บ กระดาษยังกล่าวถึงแบรนด์นี้สำหรับนักวิจัยคนอื่น ๆ ที่หวังจะทำซ้ำการทำงาน

"ยาทาเล็บเป็นเครื่องมือที่ดีเยี่ยมสำหรับห้องปฏิบัติการ" Socha กล่าว

ถัดไปเป็นแรงจูงใจแมลงในการดำเนินการตามที่ต้องการ สำหรับผีเสื้อและยุงนักวิจัยต้องการสังเกตพฤติกรรมการให้อาหารของพวกเขา แต่วิธีแก้ปัญหาน้ำตาลปกติจะไม่ปรากฏบน X-ray นักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานร่วมกับเจ้าหน้าที่ APS ในการเลือกรูปแบบของไอโอดีนที่สามารถผสมลงในสารละลายน้ำตาลซึ่งจะสร้างภาพลักษณ์ที่ชัดเจนและผีเสื้อก็พร้อมที่จะกิน

นักวิทยาศาสตร์ต้องการทำความเข้าใจกับการใช้ด้วงระเบิดความสามารถในการสร้างความร้อนและการฉีดพ่นของเหลวที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับการเดือด แต่แมลงไม่ฉีดพ่นคำสั่ง บางคนฉีดพ่นทันทีที่ตื่นขึ้นมาด้วยความจริงที่ว่ามีการระเบิดรังสีเอ็กซเรย์ กับคนอื่น ๆ นักวิทยาศาสตร์ต้องกระตุ้นให้พวกเขาด้วยเข็ม

ในขณะที่กระบวนการนี้ไม่เป็นที่น่าพอใจสำหรับแมลงแต่ละตัวสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้จะช่วยให้พวกเขาเข้าใจถึงสายพันธุ์และวิวัฒนาการของมันได้ดียิ่งขึ้น

ผีเสื้อและแมลงและยุง Oh My

ภาพที่ได้ทำให้การทดลองคุ้มค่า

สำหรับผีเสื้อ Monaenkova และเพื่อนร่วมงานของเธอได้ค้นพบว่าการงูสวัดทำหน้าที่เหมือนการฟองน้ำและฟาง โครงสร้างฟองน้ำเหมือนที่ปลายโพรงจะสร้างการไหลเวียนของเส้นเลือดฝอยความสามารถของของเหลวจะไหลขึ้นไปได้โดยไม่ต้องดูด ที่ช่วยให้ผีเสื้อเริ่มกระบวนการดูดของเหลวจากวัสดุที่มีรูพรุนหยดละอองขนาดเล็กและแอ่งน้ำ กลไกในหัวของผีเสื้อแล้วปั๊มของเหลวขึ้นผ่านส่วนที่เหมือนฟางของหลอดอาหาร

Monaenkova กล่าวว่า "ถ้าไม่มีเครื่องมือนี้การวิจัยที่เราทำจะไม่เป็นไปได้

การค้นพบนี้สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์พัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ สำหรับเครื่องมือที่สามารถจับของเหลวหรือนำส่งยาเข้าสู่ร่างกายของผู้คนได้

ในกรณีของยุงนักวิจัยยังพบรูปแบบการให้อาหารใหม่ หัวยุงมีสองปั๊มที่แตกต่างกันที่ดูดของเหลว เมื่อมองไปที่ชิ้นส่วนใดมีอาหารอยู่ในตัวมันในแต่ละครั้งนักวิทยาศาสตร์คิดว่าปั๊มแต่ละตัวมีส่วนช่วยในการไหลโดยรวมอย่างไร พวกเขาพบโหมดดูดใหม่ที่มีพลังมากถึง 27 เท่ามากกว่าปกติ การวิจัยเพิ่มเติมในด้านนี้อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจได้ดีขึ้นว่ายุงส่งความเจ็บป่วยอย่างไรเช่นไวรัส Zika

นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และมหาวิทยาลัยแอริโซนาศึกษาด้วงปากกระบอกปืนต้องการติดตามแต่ละขั้นตอนของปฏิกิริยาทางเคมีที่นำไปสู่การสเปรย์ของด้วง การทำแผนที่ว่าไอที่เกิดขึ้นขยายและเคลื่อนย้ายได้ช่วยให้พวกเขาเข้าใจว่าร่างกายของด้วงควบคุมกระบวนการอย่างไร

ในทุกกรณี APS เปิดเผยกลไกที่นักวิทยาศาสตร์ไม่มีวิธีอื่นในการค้นคว้า

ลีกล่าวว่า "งานที่เราทำที่นี่ได้เปลี่ยนตำราจริงๆแล้ว"

menu
menu