Как духи, путешествующие между мирами, миллиарды невидимых существ поднимаются навстречу звездному свету, а затем с восходом солнца погружаются во тьму. Ежедневное путешествие микроскопического планктона между глубинами океана и поверхностью является ключом к пониманию важнейших планетарных процессов, но до сих пор оставалось в значительной степени загадкой. Новый вращающийся микроскоп, разработанный в Стэнфорде, описанный в исследовании, опубликованном 17 августа в журнале Nature Methods, впервые предлагает способ отслеживать и измерять поведение и молекулярные процессы этих загадочных микроорганизмов во время их ежедневных вертикальных миграций.
«Это совершенно новый способ изучения жизни в океане», - сказал первый автор исследования Дипак Кришнамурти, аспирант машиностроения в Стэнфорде.
Инновация может открыть новое окно в тайную жизнь океанских организмов и экосистем, сказал старший автор исследования Ману Пракаш, адъюнкт-профессор биоинженерии в Стэнфорде. «Это открывает научные возможности, о которых мы до сих пор только мечтали».
Загадки океана
На Земле половина всего преобразования углерода в органические соединения происходит в океане, и большую часть этой работы выполняет планктон. Огромную роль крошечных существ в этом процессе, известном как фиксация углерода, и других важных планетарных циклах было трудно изучить в вертикально стратифицированном ландшафте океана, который включает в себя огромные глубины и масштабы времени..
Традиционные подходы к отбору проб планктона ориентированы на большие популяции микроорганизмов и, как правило, не позволяют измерить поведение и процессы отдельного планктона в экологических масштабах. В результате мы очень мало знаем о микромасштабных биологических и молекулярных процессах в океане, таких как то, как планктон ощущает и регулирует свою глубину или даже как они могут оставаться в толще воды, несмотря на то, что у них нет придатков, которые помогают им двигаться.
«Я мог бы прикрепить метку к киту и посмотреть, куда он идет, но по мере того, как объекты становятся все меньше и меньше, становится чрезвычайно трудно узнать и понять их естественное поведение», - сказал Пракаш. «Как нам приблизиться к естественному поведению микроскопического объекта и дать ему свободу, которой он заслуживает, потому что океан - это такое большое пространство и чрезвычайно вертикально ориентированное?»
Чтобы восполнить пробел, Пракаш и исследователи в его лаборатории разработали микроскоп вертикального слежения, основанный на том, что они называют «гидродинамической беговой дорожкой». Идея включает в себя простое, но элегантное понимание: круговая геометрия обеспечивает бесконечное кольцо водяного столба, которое можно использовать для имитации океанских глубин. Организмы, введенные в эту заполненную жидкостью круглую камеру, свободно перемещаются, поскольку устройство отслеживает их и вращается, чтобы приспособиться к их движению. Камера передает цветные изображения планктона и других микроскопических морских существ в полном разрешении на компьютер для управления с обратной связью. Устройство также может воссоздавать характеристики глубины океана, такие как интенсивность света, создавая то, что исследователи называют «средой виртуальной реальности» для отдельных клеток.
Команда развернула прибор для полевых испытаний на морской станции Хопкинс в Стэнфорде в Монтерее, Пуэрто-Рико, а также на исследовательском судне у берегов Гавайев. Инновационный микроскоп уже выявил поведение различных микроорганизмов, ранее неизвестное науке. Например, в нем в мельчайших подробностях показано, как личинки морских существ с калифорнийского побережья, таких как летучая мышь, морской огурец и тихоокеанский морской еж, используют различные методы для перемещения по морю, начиная от постоянного зависания и заканчивая частыми изменениями ритма ресничек. и плавательное движение или моргание. Это может позволить ученым лучше понять свойства распространения этих уникальных организмов в открытом океане. Устройство также выявило вертикальное плавание одноклеточных организмов, таких как морские динофлагелляты, что может позволить ученым связать это поведение с экологическими явлениями, такими как цветение водорослей..
В Пуэрто-Рико Кришнамурти и Пракаш были потрясены, увидев, как диатомовая водоросль, микроорганизм без плавательных придатков, постоянно меняет свою плотность, опускаясь и поднимаясь в воде - загадочное поведение, которое до сих пор остается загадкой.
"Это как если бы кто-то сказал вам, что камень может плавать, затем тонуть и снова всплывать", - сказал Кришнамурти.
Привнесение океана в лабораторию
Пракаш приписывает успех устройства междисциплинарному характеру команды его лаборатории, в которую входят инженеры-электрики, механики и оптики, а также ученые-компьютерщики, физики, клеточные биологи, экологи и биохимики. Команда работает над дальнейшим расширением возможностей микроскопа путем виртуального картирования всех аспектов физических параметров, с которыми сталкивается организм при погружении в глубины океана, включая экологические и химические сигналы и гидростатическое давление..
"Чтобы по-настоящему понять биологические процессы, происходящие в океане на мельчайших масштабах, мы рады принести в лабораторию кусочек океана и одновременно перенести в океан кусочек лаборатории", - сказал Пракаш.
Пракаш также является старшим научным сотрудником Стэнфордского института окружающей среды Вудса; член Bio-X, Научно-исследовательского института здоровья матери и ребенка и Института неврологии Ву Цай; научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза; и исследователь биохаба Чана Цукерберга.
Соавторы исследования включают Хунцюань Ли, аспиранта в области электротехники; Франсуа Бенуа дю Рей и Пьер Камбурнак, бывшие летние стажеры в лаборатории Пракаша Политехнической школы; Итан Ли, аспирант в области биоинженерии, и Адам Ларсон, научный сотрудник с докторской степенью в области биоинженерии.
Части описанной здесь технологии являются частью заявленного патента США.
Финансирование предоставлено стипендиями Bio-X Bowes и SIGF, Национальным научным фондом, Фондом Гордона и Бетти Мур, Программой стипендий факультета HHMI.