Исследование мира насекомых с помощью ускорителей частиц: интервью с Томасом ван де Кампом 0:20
Ускорители частиц в сознании большинства людей прочно ассоциируются с фундаментальной физикой и столкновениями протонов в Большом адронном коллайдере. Однако многие из этих мощных машин находят применение в совершенно иных областях, например в биологии. Томас ван де Камп, биолог из Технологического института Карлсруэ (KIT) в Германии, рассказал ведущему канала Event Horizon Джону Майклу Годье о том, как синхротронное излучение позволяет создавать детализированные 3D-карты строения муравьев, открывая новые горизонты в энтомологии.
🐜 Революция в изучении муравьиной морфологии 1:28
Синхротронная рентгеновская микротомография — это метод 3D-визуализации, позволяющий изучать структуру малых объектов с высочайшей точностью. Томас ван де Камп и его коллеги запустили инициативу Ant Scan, создав комплексный открытый ресурс, который уже содержит около 2200 3D-наборов данных муравьев.
- Выбор материала: В базе данных представлено около 800 видов муравьев, что охватывает примерно 90% известных родов.
- Ограничения: Ученые сталкиваются с проблемой редкости некоторых групп, существующих лишь в единичных экземплярах, которые порой были уничтожены при описании или экстракции генома.
- Сохранность: Для метода подходят только образцы, хранящиеся в этаноле. Сухие экземпляры из старых коллекций непригодны, так как их мягкие ткани «слипаются».
- Состояние образца: Важно, чтобы образец оставался неподвижным во время вращения на 180 градусов, иначе реконструкция 3D-изображения будет невозможна.
По словам исследователя, сканирование приводит к некоторой фрагментации ДНК, однако современные методы секвенирования позволяют работать с поврежденными фрагментами, поэтому ценные образцы не теряются для генетики.
🛡️ Удивительные открытия: «броня» и эволюция 15:52
Анализ больших массивов данных Ant Scan позволил сделать неожиданные открытия, не входившие в изначальные задачи проекта. Одним из таких явлений стала биоминеральная броня, обнаруженная на экзоскелете муравьев-грибководов.
- Функция брони: По мнению ван де Кампа, она повышает механическую защиту. Муравьи «выращивают» ее после метаморфоза, экскретируя минеральные вещества на поверхность панциря, причем количество этой защиты увеличивается с возрастом.
- Эволюционный успех: Исследования, проведенные с помощью этих данных, показали, что виды, инвестирующие в большое количество рабочих с более тонким экзоскелетом, в эволюционном смысле успешнее тех, кто тратит ресурсы на создание малого количества рабочих с толстой «броней».
🖥️ Большие данные и искусственный интеллект 24:26
С процессом сканирования ученые справляются быстро, поэтому главным «узким местом» проекта стал анализ данных. Для одного муравья может потребоваться создание томограммы объемом до 500 ГБ.
- Роль ИИ: На текущий момент нейронные сети недостаточно гибкие, чтобы автоматически обрабатывать огромное разнообразие форм, поз и повреждений образцов (отсутствующие антенны, лапки).
- Планы: Исследовательская группа в институте работает над алгоритмами для автоматической ориентации образцов и идентификации их частей тела.
- Доступность: Весь архив доступен на сайте antscan.info в виде STL-файлов для печати и TIFF-стеков томограмм, что позволяет любому желающему изучать анатомию, мышцы и кишечник муравьев.
🔭 Технологии: от муравьев до авиастроения 32:37
Ускоритель частиц KIT Light Source — это кольцевой ускоритель с окружностью около 110,3 метра. Хотя Томас ван де Камп использует его для сканирования насекомых, инструмент многофункционален: его 13 экспериментальных станций применяются для исследования дефектов в деталях самолетов, автомобилей и даже в кристаллах кремния для процессоров.
Отвечая на вопрос о потенциальном поиске инопланетной жизни, ван де Камп отметил, что разнообразие мира насекомых — с их шестью ногами, которые являются оптимумом для малых существ, — дает науке ключ к пониманию конвергентной эволюции.
