Голографическая микроскопия раскрывает тайны жизни микропланктона
Используя голограммы, создаваемые в цифровых микроскопах и интерпретируемые с помощью искусственного интеллекта (ИИ), исследователи впервые могут отслеживать жизнь микропланктона на индивидуальном уровне. Метод стал результатом междисциплинарного проекта в Гётеборгском университете.
Планктон — одни из важнейших организмов на Земле. Более половины всего мирового кислорода производят фитопланктоны в океанах. Однако знания об этих формах жизни ограничены, в основном из-за их размера.
«До сих пор мне приходилось изучать микропланктон на групповом уровне, но благодаря этому новому голографическому микроскопу на базе ИИ я могу видеть, как отдельные особи микропланктона двигаются, питаются, растут и размножаются», — говорит морской биолог Эрик Селандер.
Единственный способ изучать микропланктон на индивидуальном уровне
Эрик Селандер услышал выступление профессора физики Джованни Вольпе о новой технике, где свет, преломлённый через частицу, создаёт голограмму, которую можно изучать вместо самой частицы. С помощью ИИ голограммы можно анализировать с гораздо большей скоростью, получая больше и более точных деталей. Селандер и Вольпе начали междисциплинарный проект, нацеленный на микропланктон.
«Метод, который мы разработали, — единственный, который работает для изучения микроскопических организмов на индивидуальном уровне», — говорит Джованни Вольпе.
ИИ делает метод намного быстрее
Метод использует светодиодный свет для анализа микропланктона в голографических микроскопах, что гарантирует, что организмы остаются незатронутыми в процессе. Об этом открытии сообщалось в журнале eLife.
«Клетки микропланктона, которые мы исследуем, имеют размер всего в несколько сотых миллиметра. Но они так многочисленны, что влияют на весь углеродный цикл океана. В сумме одноклеточный микропланктон поглощает примерно в три раза больше углерода, чем выбрасывают люди при сжигании ископаемого топлива. Теперь мы можем детально понять эти процессы на индивидуальном уровне», — говорит Эрик Селандер.
Метод регистрации взаимодействия света и материи с помощью цифровых камер в голографическом микроскопе хорошо изучен в прошлом. Но благодаря цифровым технологиям и недавней революции ИИ этот метод стал гораздо полезнее, а анализ — проще и намного быстрее.
«Комбинируя голографическую микроскопию с ИИ, мы теперь можем одновременно отслеживать, что происходит с большой коллекцией клеток микропланктона на уровне одной клетки, что раньше было сложной задачей. Хотя техника продемонстрирована на морских микроорганизмах, она универсальна и может быть применена к любой микроскопической форме жизни», — говорит докторант по физике Харшит Бачиманчи.
«А помещая клетки в миниатюрные стеклянные лунки, мы можем отслеживать динамику роста и плавательное поведение клеток на протяжении всего их жизненного цикла — от часов до дней».
Голографическая микроскопия также предлагает быстрый и недорогой метод для подсчёта, взвешивания и определения размера клеток или других частиц в растворе.