El método de disección virtual podría revitalizar la biología
El verano pasado, los investigadores demostraron que una combinación de imágenes no invasivas y técnicas de tinción hace posible comparar y estudiar rápidamente especies de lombrices de tierra y otros animales con un detalle sin precedentes.
En el primer estudio de morfología comparativa de este tipo, el equipo de investigación produjo imágenes tridimensionales de fibras musculares individuales y células sanguíneas individuales de lombrices de tierra. La técnica les permitió comparar las vísceras de un gusano recién exhumado con las de un espécimen de museo de 60 años en un entorno anatómico natural, generando abundantes datos en 2D y 3D.
«Las principales ventajas en este caso son la escala (se pueden analizar más animales) y la velocidad (los especímenes se pueden analizar más rápido), dijo el Dr. Alexander Ziegler, profesor asistente del Instituto de Zoología de la Universidad de Bonn en Alemania, quien es Co. -autor del artículo. «Este enfoque se puede extender a otros grupos de moluscos, como moluscos o sanguijuelas. Los datos también se pueden compartir fácilmente con otros, incluido el público interesado (ciencia ciudadana)».
Ziegler espera que las imágenes de alta resolución, los videos y los modelos interactivos proporcionados por el nuevo método revitalicen el campo de la zoología comparativa. El estudio de la anatomía a menudo se basa en la disección tradicional, y el campo ha sido objeto de críticas en los últimos años por su dependencia de prácticas observacionales y descriptivas centenarias, dijo.
Para cambiar eso, Ziegler y sus colegas analizaron dos especies de lombrices de tierra usando tomografía micro computarizada (microCT) y tinción con soluciones de yodo, plomo o tungsteno. Aunque se han utilizado micro-CT y tinción para obtener imágenes de diversos tejidos animales, solo se han utilizado unas pocas técnicas para obtener imágenes de tejidos animales blandos y estructuras conservadas en especímenes de museo. La innovación del equipo de investigación fue combinar y perfeccionar una variedad de técnicas existentes para analizar simultáneamente imágenes 3D de alta resolución de especímenes de lombrices.
La tinción de las estructuras internas permite escaneos detallados de la anatomía de la lombriz de tierra. Las imágenes derivadas, los videos y los modelos interactivos en 3D de lombrices de tierra tienen una resolución de aproximadamente 10 micrones, o una millonésima de metro, o aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano. En este estudio, los investigadores pudieron rotar la estructura interna de un fósil de lombriz de tierra en 3D en tiempo real para comprender mejor su compleja morfología.
En comparación con las técnicas de disección tradicionales que se utilizan hoy en día en zoología o paleontología, el nuevo método deja las muestras intactas y con relativa rapidez, requiriendo solo una o dos horas de tiempo de escaneo. Evita la necesidad de disección porque el observador puede manipular el conjunto de datos 3D en la computadora, rotando o traduciendo según sea necesario. Además, se pueden ver dos o más conjuntos de datos simultáneamente, lo que permite realizar comparaciones directas de la morfología y la anatomía de los animales.
«Esto podría ser una revelación para los colegas en nuestro campo», dijo Zierger. Él y sus colegas publicaron su artículo en la revista PLOS ONE.
Las nuevas técnicas de imagen facilitan la ciencia basada en hipótesis, según Ziegler. El método utilizado en la investigación de lombrices de tierra se puede utilizar para generar imágenes de alta resolución de cientos de especímenes en mucho menos tiempo que lo que permiten los protocolos tradicionales. El tamaño de los datos que se pueden generar en todos los organismos vivos podría llegar a 1 zettabyte, lo que equivale a unos 250 000 millones de DVD. Solo los estudios de lombrices de tierra de Ziegler generaron 45 GB de datos, disponibles gratuitamente en el repositorio de datos en línea de la revista de acceso abierto y datos abiertos GigaScience.
«La cantidad potencial de datos es infinita», dijo Ziegler. «Si extiende el método de escaneo a otras especies biológicas, hay millones de ellas, estamos viendo exa e incluso zettabytes de datos».
Una mejor comprensión de las complejas interacciones entre las estructuras internas o el crecimiento de especímenes individuales conducirá a estudios más amplios para ayudar a abordar problemas de biodiversidad más amplios, como la pérdida de hábitat y los efectos a largo plazo de cómo las especies interactúan con sus entornos. Además, los datos de imágenes sin procesar se pueden cargar en un depósito de datos, lo que aumenta en gran medida la transparencia de la extracción de datos adicional. Las futuras tecnologías de robótica, procesamiento de datos y software de control podrían usarse para la detección rápida de muestras para aprovechar el conocimiento existente.
Por ejemplo, Ziegler eligió las lombrices de tierra para su investigación debido a su importancia ecológica. Pueden ser ingenieros ambientales que dan forma al suelo, promoviendo la hidratación, la oxidación y la descomposición de la materia orgánica, lo que ayuda a alimentar plantas e insectos en la red alimenticia del suelo. Pero también son especies invasoras en partes de América del Norte, que amenazan la diversidad de la vida vegetal y animal al destruir la capa orgánica de materia y reducir los nutrientes y la vegetación.
«El mundo está cambiando rápidamente. Necesitamos comprender mejor las complejas interacciones entre los organismos y sus entornos, pero especialmente, si queremos preservar la biodiversidad», dijo el director del Museo de Historia Natural de Delaware, que no participó en el estudio PLOS ONE. La Dra. Elizabeth Shea, experta en ecología y sistemática de vainas, dijo. «Con tantas especies y tan pocas personas haciendo el trabajo, necesitamos nuevas formas de hacer que el trabajo avance más rápido».
Con pocos estudiantes ingresando al campo de la zoología comparativa y la falta de fondos, los descubrimientos futuros podrían acumular polvo en los estantes de las colecciones de los museos de todo el mundo, dijo Shea. Pero la exploración científica no es lo único que importa, también se trata de divertirse mientras se hace ciencia. El acceso abierto con impresionantes imágenes de alta resolución, videos y modelos interactivos puede complementar las ayudas didácticas para involucrar a los estudiantes en el aula.
«Curiosamente, aunque la exploración es la primera y más importante esencia del descubrimiento científico, existe una gran renuencia a financiar estudios de morfología exploratorios», dijo Ziegler. «Eso está en marcado contraste con la financiación masiva de la investigación del genoma. Pero cuando estás secuenciando un genoma completo, ¿qué tipo de hipótesis original puedes tener realmente? Probablemente no, primero quieres explorar los datos y hacer preguntas después». Atrévase a predecir que este enfoque también se convertirá en una práctica común en morfología».
Shea desarrolló tres ideas que se basan en las aplicaciones de mejores prácticas que Ziegler y sus colegas demostraron en su artículo. El primero es transformar el análisis morfológico de su estado actual como una práctica intensiva en recolección de datos a una práctica intensiva en análisis. El segundo es garantizar que los datos sobre especímenes de museos de todo el mundo estén disponibles para más científicos para extraer datos para la investigación de la biodiversidad. «La Fundación Nacional de Ciencias ha hecho de esto una prioridad en su programa para avanzar en la digitalización de las colecciones de biodiversidad», dijo Shea.
El tercero es la necesidad de métodos automatizados para examinar imágenes o videos de alta resolución de especímenes escaneados y desarrollar software de reconocimiento de patrones para ayudar a identificar especímenes en imágenes. El software actual no puede realizar las tareas complejas de reconocimiento de formas y patrones para las que están capacitados los taxónomos, pero eso puede cambiar en los próximos años.
Las contribuciones de estudiantes entusiastas, investigadores experimentados y un mejor software de reconocimiento de patrones han beneficiado la investigación de secuenciación de ADN a gran escala. Otras colaboraciones internacionales, ideas para estudios más grandes, incluso enfoques de big data, y planes de estudio actualizados para los estudiantes aumentarán el interés y acelerarán la exploración en el estudio de la morfología animal, la biodiversidad y la zoología.
