Når dit røntgenobjekt har vinger - kigger du ind i insekter med den avancerede fotonkilde

Langsomt blafrer dens orange og sorte vinger, en monark sommerfugl nipper til væske fra en mudderlap. Dens snabel – munddelen, der suger væsker op – græsser den fugtige jord. Årevis, Biologer vidste, at sommerfugle trak væsker op fra overflader med porer anderledes, end de gør fra blomster. Men de havde ingen mulighed for at observere disse forskelle.

"Biologerne kendte til denne fodringsmåde, men havde ikke værktøjer til at observere, hvad der foregik, " sagde Daria Monaenkova, der studerede denne adfærd som kandidatstuderende ved Clemson University.

Mikroskoper alene kunne ikke afsløre, hvad Monaenkova ønskede at studere. Men en forholdsvis ny teknik ved hjælp af et ekstremt kraftigt røntgenbillede viste sig at være lige sagen. Ved at bruge DOE's avancerede fotonkilde, en Office of Science-brugerfacilitet ved Argonne National Laboratory, Monaenkova og andre forskere har været i stand til at tage højopløselige videoer af levende insekters indre.

I det sidste årti, APS har været et hjem for forskere, der specialiserer sig i insektbiomekanik, for at forske, de ikke kan gøre andre steder. Forskere studerer sommerfugle, myg, og biller har brugt APS til at afsløre ny indsigt i, hvordan de fungerer og potentielt inspirere teknologi baseret på disse funktioner.

Real-Life X-Ray Vision

Forskere, der studerer insekter, har brug for værktøjer, der kan se gennem deres hårde ydre skeletter, afsløre træk ved blødt væv, optage bevægelser, der er en tusindedel af et sekund lange, og viser detaljer, der er en milliontedel meter lange. Mest af alt, de skal fange, hvordan disse systemer fungerer i realtid. Almindelige mikroskoper kan ikke opfylde mange af disse behov.

Men synkrotron røntgenstråler, som produceres af partikelacceleratorer, kan. Ligesom læger bruger røntgenstråler til at se ind i menneskekroppe, videnskabsmænd kan bruge dem til at kigge ind i insektkroppe. Røntgenstråler er især nyttige til at tage billeder af strukturer, der har forskellige tætheder, som munddele og fordøjelsessystemer.

Ikke et hvilket som helst røntgenbillede duer. Forskere kan ikke kontrollere almindelige røntgenstråler nok til at udføre disse eksperimenter. Men Videnskabskontorets lyskilder i brugerfaciliteten producerer ekstraordinært kraftige røntgenstråler, der giver forskerne meget fin kontrol. I tilfældet med APS, det er kontrol nok til at se ind i et insekt uden at fordampe det.

Disse røntgenstråler bevæger sig ind i forsøgsstationer, hvor videnskabsmænd udfører undersøgelser. Hver APS-strålelinje har røntgenoptik, der kan vælge røntgenstrålens energi og fokusere den til stationen for at imødekomme forskernes behov. Røntgenstrålerne bevæger sig gennem objektet, der studeres, og går ind i en scintillator - en specialiseret krystal, der omdanner røntgenstråler til synligt lys. Et avanceret kamera fanger det synlige lys på video.

"Det er som en helt ny verden afsløret, " sagde Jake Socha, biomekanisk ingeniørprofessor ved Virginia Tech. "Næsten alt hvad du kan putte ind i strålen, du ser det perspektiv nyt for første gang."

Selv for de mennesker, der specialiserer sig i røntgenmaskiner, billedernes klarhed er overraskende. Wah-Keat Lee, en røntgenforsker, der var på APS og nu er på NSLS-II, en anden Office of Science-brugerfacilitet, banebrydende for teknikken. Beskrev første gang han så resultaterne, han sagde, "Klarheden af ​​det lille insekts indre strukturer var ret fænomenal."

APS opnår denne klarhed med en meget intens, høj energi, stram stråle, der også har høj brillans (den mængde lys, den kan fokusere på et bestemt sted på et bestemt tidspunkt). Som et kamera med en høj lukkerhastighed, der kræver meget lys, glans er vigtig for at fange ekstremt hurtige bevægelser. I et eksperiment, videnskabsmænd optog røntgenvideo med en hastighed på mere end 10, 000 billeder i sekundet. Film i kommercielle biografer er typisk 24 billeder i sekundet.

"Lyskilderne har stadig en enorm fordel i hastighed, " sagde Socha, sammenligne dem med andre billedteknologier.

Mest vigtigt, lyskilder kan lave fasekontrastbilleder. Normale røntgenmaskiner er afhængige af, at tætte genstande - som knogler - absorberer en masse røntgenstråler. Disse røntgenstråler når ikke detektoren, og dele af billedet bliver mørke. Men insekter har ikke noget så tæt som knogle. Som resultat, deres kroppe absorberer færre røntgenstråler og producerer ikke et skarpt billede. Fasekontrast røntgenbilleder løser dette problem. Selvom lette genstande ikke absorberer mange røntgenstråler, de ændrer deres bølger. Fordi fasekontrastdetektorer kan måle disse ændringer, de er mere følsomme over for små forskelle i tæthed end traditionelle maskiner. Faktisk, ved hjælp af billeder fra APS, forskere kunne skelne mellem væsker og luft i et insekts fødekanal.

"Det tager dig fra et sløret billede af en klat til et virkelig skarpt billede af et insekt, sagde Socha.

Undersøgelse af insekters indre funktioner

Mens forskere, der studerer livløse genstande ved lyskilder, skal håndtere en række udfordringer, i det mindste behøver de ikke bekymre sig om, at de flyver væk.

Før de selv kan håndtere insekterne, forskere skal tage stilling til maskinens indstillinger, der resulterer i de bedste billeder og mindst skade på insekterne. Jo længere røntgenstrålens bølgelængde, jo bedre kontrast. Tilsvarende jo mere intens strålen er, jo lysere og klarere billede. Men jo længere bølgelængden er og jo mere intens strålen, jo mere skader røntgen insektet. Denne skade kan få insektet til at handle unaturligt eller dræbe dem. (Mens videnskabsmænd ofte dræber fejlene efter undersøgelsen er afsluttet, de ønsker ikke, at de dør halvvejs.)

En tidlig undersøgelse, der testede en række forskellige insekter, viste, at selvom fem minutter under strålen ikke så ud til at have en negativ effekt på de fleste arter, mere end 20 minutter lammet dem midlertidigt. Selv med den tidligere forskning, hold bruger stadig deres første seks til otte timer ved APS på at bestemme deres eksperimentindstillinger.

"Der er mange forsøg og fejl. Du skal ikke gå derind inden for en halv time efter opsætning og begynde at indsamle data, " sagde Matthew Lehnert, en entomolog ved Kent State University.

Den næste udfordring involverer at holde deres flyvende og kravlende emner stille.

"Du kan ikke bare sidde noget foran en bjælke og sige, 'Rør dig ikke, " sagde Lehnert.

Efter at have slået insekterne ud ved hjælp af nitrogengas eller ved at afkøle dem, videnskabsmænd bruger overraskende lavteknologiske teknikker til at fastgøre dem til platforme. Nogle forskere sætter dem fast eller omgiver dem med bomuld eller modeller. Forskere, der studerede myg, fastgjorde dem til overfladen med neglelak. Avisen citerer endda mærket, for andre forskere i håb om at gengive værket.

"Neglelak er et fantastisk værktøj til laboratoriet, sagde Socha.

Dernæst er det at motivere insekter til at udføre den ønskede adfærd. Til sommerfugle og myg, forskere ønskede at observere deres madvaner. Men normal sukkeropløsning vises ikke på røntgenbilledet. Forskerne arbejdede sammen med APS-medarbejdere for at vælge en form for jod, de kunne blande i sukkeropløsningen, som både ville skabe et klart billede, og sommerfugle ville være villige til at spise.

Med bombardierbiller, forskerne ønskede at forstå, hvordan de kan skabe, varme, og skyd en flydende spray ved temperaturer tæt på kogepunktet. Men biller sprøjter ikke på kommando. Nogle sprøjtede, så snart de vågnede, forskrækket over, at der var en røntgenstråle, der sprængte dem. Med andre, videnskabsmændene måtte stikke dem med en nål.

Selvom processen ikke er behagelig for individuelle insekter, det, forskerne lærer, kan hjælpe dem til bedre at forstå hele arten og dens udvikling som helhed.

Sommerfugle og biller og myg, Åh min

De resulterende billeder gjorde eksperimentet værd.

For sommerfugle, Monaenkova og hendes kolleger opdagede, at snablen fungerer som en kombination af en svamp og et sugerør. Den svampelignende struktur i spidsen af ​​snablen skaber kapillærvirkning, væskers evne til at strømme opad uden en sugekraft. Det hjælper sommerfuglene med at starte processen med at optage væske fra porøse materialer, små dråber, og vandpytter. En mekanisme i sommerfuglens hoved pumper så væsken op gennem den halmlignende del af snablen.

"Uden dette værktøj, den forskning, vi lavede, ville ikke være mulig, sagde Monaenkova.

Denne opdagelse kan hjælpe forskere med at udvikle ny teknologi til værktøjer, der fanger væsker eller leverer medicin ind i menneskers kroppe.

I tilfælde af myg, forskere fandt også en ny fodringsmåde. Myghoveder har to forskellige pumper, der suger væske op. Ved at se på, hvilke dele der til enhver tid havde mad i sig, forskere fandt ud af, hvor meget hver pumpe bidrog til det samlede flow. De fandt en ny sugemetode, der er 27 gange stærkere end den almindelige. Yderligere forskning på dette område kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå, hvordan myg overfører sygdomme som Zika-virus.

Forskerne fra Massachusetts Institute of Technology og University of Arizona, der studerede bombardierbiller, ønskede at spore hvert trin i den kemiske reaktion, der fører til billernes spray. Kortlægning af hvordan dampen blev dannet, udvidet, og flyttede hjalp dem med at forstå, hvordan billens krop styrer processen.

I alle tilfælde, APS afslørede mekanismer, som forskerne ikke havde nogen anden måde at forske på.

Som Lee sagde, "Det arbejde, vi lavede her, ændrede faktisk lærebøger."