黑科技显微镜，帮你看到身边的怪兽
小跳跳谈科技2018-09-04 16:53
一只帝王蝴蝶缓缓地拍打着它橙色和黑色的翅膀，从一片泥巴中吸着液体。它的鼻尖-吸收液体的口部-在潮湿的土壤上吃草。多年来，生物学家们都知道蝴蝶从毛孔表面提取液体的方式与花不同。但他们无法观察到这些差异。
“生物学家知道这种喂养方式，但没有工具来观察发生了什么，”Daria Monaenkova说，他作为克莱姆森大学的研究生研究了这种行为。
仅用显微镜无法揭示莫纳恩科娃想要研究的东西。但是一项相对较新的技术，使用非常强大的X光，最终证明是正确的。利用美国能源部的先进光子源，阿贡国家实验室的科学办公室用户设施，Monaenkova和其他研究人员能够拍摄到生活内部的高分辨率视频。
在过去的十年里，APS一直是专门从事昆虫生物力学研究的科学家们的家。研究蝴蝶、蚊子和甲虫的科学家利用APS揭示了它们如何工作的新见解，并根据这些功能潜在地激发了技术。
研究昆虫的科学家需要工具来观察它们坚硬的外部骨骼，揭示软组织的特征，记录千分之一秒长的运动，并显示长度为百万分之一米的细节。最重要的是，他们需要捕捉这些系统是如何实时工作的。普通的显微镜不能满足这些需求。
但是由粒子加速器产生的同步X射线可以。就像医生用X光检查人体内部一样，科学家也可以用X光来观察昆虫体内的情况。X射线对于拍摄密度不同的结构，如口器和消化系统尤其有用。不只是任何X光都行。科学家们无法控制常规的X射线束来进行这些实验.但是，科学办公室的用户设施光源产生了非常强大的X射线，为科学家提供了非常精细的控制。在APS的情况下，这是足够的控制，看看里面的昆虫，而不汽化它。这些X射线进入科学家进行研究的实验站。每个APS光束线都有X射线光学，可以选择X射线的能量并将其聚焦到空间站以满足科学家的需要。X射线穿过正在研究的物体，进入闪烁体-一种将X射线转化为可见光的特殊晶体。高端摄像机可以在视频中捕捉到可见光。“这就像一个全新的世界被揭示出来了，”弗吉尼亚理工大学生物力学工程教授杰克·索查(JakeSocha)说。“几乎所有你能放进光束的东西，你都会第一次看到新的视角。”
即使是那些专门研究X光机的人，图像的清晰度也是令人惊讶的。一位在APS工作的X光研究人员，现在另一个科学办公室用户设施NSLS-II工作，他是这项技术的先驱。在描述他第一次看到结果时，他说，“这种小昆虫的内部结构非常清晰。”
APS以非常强烈、高能量、紧密的光束达到这一清晰性，而光束也具有很高的亮度(它可以在特定的时间聚焦在特定的地方)。就像一台需要大量光线的高速快门相机一样，对于捕捉极快的运动来说，亮度是很重要的。在一项实验中，科学家以每秒超过10，000帧的速度拍摄了X射线视频.商业影院的电影通常是每秒24帧。
“光源在速度上仍然有着巨大的优势，”Socha说，并将它们与其他成像技术进行了比较。
最重要的是，光源可以进行相位对比度成像.普通的X光机依赖于像骨头这样的致密物体吸收大量X射线的事实。那些X光不能到达探测器，图像的部分就会变暗。但是昆虫没有骨头那么致密。因此，他们的身体吸收较少的X光，不会产生清晰的图像.相位对比度X射线成像解决了这一问题.尽管光物体不会吸收很多X射线，但它们确实改变了它们的波。因为相位对比度探测器可以测量这些变化，它们对密度的微小差异比传统机器更敏感。事实上，利用APS的图像，科学家可以区分昆虫食道中的液体和空气。Socha说：“它把你从一张模糊的斑点图片带到了一张非常清晰的昆虫图片上。”
在研究无生命物体时，科学家们必须应对许多挑战，至少他们不必担心它们会飞走。
在他们自己处理昆虫之前，研究人员必须决定机器的设置，这样才能得到最好的图像，对昆虫的危害最小。X光波长越长，对比度越好.同样地，光束越强烈，图像就越亮、越清晰。但是波长越长，光束越强烈，X射线对昆虫的损害就越大。这种伤害会使昆虫不自然地行动或杀死它们。(虽然科学家们经常在研究结束后杀死这些虫子，但他们不希望它们在中途死去。)阿早期试验各种昆虫的研究发现虽然在光束下5分钟似乎对大多数物种没有负面影响，但超过20分钟使它们暂时瘫痪。即使有了之前的研究，团队仍然会在APS上花6到8个小时来决定实验的设置。“有很多试验和错误。你不可能在设置后半小时内进去收集数据，“肯特州立大学(Kent State University)昆虫学家马修·莱纳特(Matthew Lehnert)说。下一个挑战是让他们的飞行和爬行主题保持不变。“你不能就这样坐在横梁前说‘别动’，”莱纳特说。
科学家们在用氮气杀死昆虫或使其冷却后，使用令人惊讶的低科技技术将它们固定在平台上。一些研究人员将它们固定下来，或用棉花或模拟黏土包围它们。研究蚊子的科学家用指甲油将蚊子附着在表面。该论文甚至引用了这一品牌，以供其他希望复制该作品的研究人员参考。“指甲油是实验室最好的工具，”Socha说。下一步是激励昆虫执行期望的行为。对于蝴蝶和蚊子，研究人员希望观察它们的摄食习惯。但是正常的糖溶液不会出现在X光片上。科学家们与APS的工作人员合作，选择一种他们可以混合到糖溶液中的碘，这样既能产生清晰的图像，又能让蝴蝶愿意吃东西。对于轰炸机甲虫，科学家们想要了解它们是如何在接近沸腾的温度下产生、加热和喷射液体喷雾的。但甲虫不会按命令喷洒。一些人一醒来就喷了药，他们被X射线爆炸的事实吓了一跳。对于其他人，科学家们不得不用针戳他们。
虽然这一过程对个体昆虫来说并不愉快，但科学家们的研究可以帮助他们更好地理解整个物种及其整个进化过程。蝴蝶，甲壳虫和蚊子，哦，我的由此产生的图像使实验值得一试。对于蝴蝶，Monaenkova和她的同事发现鼻子的作用就像海绵和吸管的组合。。鼻尖的海绵状结构产生毛细血管作用，即液体在没有吸力的情况下向上流动的能力。这有助于蝴蝶开始从多孔材料、小水滴和水坑中吸收液体的过程。蝴蝶头上有一个机械装置，然后将液体泵入鼻尖的吸管状部分。“没有这个工具，我们所做的研究是不可能的，”Monaenkova说。
这一发现可以帮助科学家开发新的技术，用于捕获液体或将药物运送到人体内的工具。对于蚊子来说，研究人员还发现了一种新的喂食方式。。蚊子的头部有两个不同的泵来吸收液体。通过观察任何时候哪个部分都有食物，科学家们就能计算出每个泵对总流量的贡献有多大。他们发现了一种新的吸吮方式，比常规吸吮方式强大27倍。这一领域的进一步研究可以帮助科学家更好地了解蚊子是如何传播寨卡病毒等疾病的。来自麻省理工学院和亚利桑那大学研究轰击甲虫的科学家们想要追踪导致甲虫喷雾的化学反应的每一个阶段。绘制水蒸气形成、膨胀和移动的图有助于他们了解甲虫的身体是如何控制这一过程的。在每一种情况下，APS揭示的机制是：科学家没有别的研究方法。正如李所说，“我们在这里所做的工作实际上改变了教科书。”
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