昆虫学家利用粒子加速器大规模成像蚂蚁

在电影《昆虫总动员》和《小蚁雄兵》中，皮克斯动画师曾将蚂蚁变成圆眼睛的卡通形象。如今，这些昆虫获得了极其精确的解剖重构。

今天发表在《自然方法》杂志上的一项研究中，一个国际团队的昆虫学家、加速器物理学家、计算机科学家和生物成像专家描述了一个全新的蚂蚁形态学3D图集。

这个被称为Antscan的平台具有微米分辨率的重建图像，不仅揭示了昆虫的装甲外骨骼，还展示了它们的肌肉、神经、消化道和随时准备刺向敌人的针状毒刺。

这些高分辨率图像涵盖了792个物种、212个属，覆盖了已描述蚂蚁多样性的大部分内容，现在可通过交互式在线门户免费获取，任何人都可以在笔记本电脑上旋转、缩放并虚拟"解剖"这些昆虫。

汉密尔顿麦克马斯特大学的进化生物学家卡梅隆·柯里表示："Antscan令人兴奋！它为蚂蚁的比较研究提供了出色的资源。"

突破传统数字化局限

长期以来，博物馆收藏的数字化一直进展缓慢且零散，通常仅限于外部特征。研究人员多年来一直在数字化自然史收藏品：拍摄钉住标本的抽屉照片、从重叠图像堆叠构建表面模型，以及使用计算机断层扫描（CT）逐个扫描选定物种。

为了捕捉整个生物的内外结构，Economo和他的团队构建了一个自动化成像管道，有效地将粒子加速器变成了解剖流水线。

他们搜遍了世界各地的博物馆收藏，寻找蚂蚁标本——工蚁、蚁后和雄蚁，并将大约2200个保存样本送到德国卡尔斯鲁厄理工学院同步辐射光源设施的一对显微CT光束线。

生物成像专家Thomas van de Kamp监督这项操作，强烈的X射线束扫过每个标本，高速探测器从多个角度记录数千张投影图像。机器人处理器将酒精保存的蚂蚁小瓶逐个放置到位，仅用几天时间就完成了全部工作。

然后，软件将生成的200多TB数据重建为3D体积，神经网络帮助自动识别和分析解剖结构。

开启新的研究可能性

类似的大规模数字化努力已经开始改变生物学家研究解剖学的方式。但要将传统显微CT以类似规模应用于昆虫——昆虫更小且更难以有效分辨率扫描——需要在速度和通量方面实现飞跃。

这就是同步辐射的作用所在。通过利用粒子加速器产生异常明亮、相干的X射线，团队能够在几秒钟内捕获高分辨率内部解剖结构，无需在标准实验室扫描仪中为软组织对比度进行冗长的染色或其他预处理步骤。

爱丁堡苏格兰国家博物馆的无脊椎动物主要策展人Vladimir Blagoderov表示："这是一项令人印象深刻的工作。该项目通过结合机器人技术、标准化采样、自动化图像处理管道和机器学习，为CT扫描增加了工业维度。"

Antscan数据集的巨大分类学广度现在使跨越整个蚂蚁家族树发现模式成为可能，正如Economo和他的同事们已经展示的那样。

例如，在去年12月发表的另一篇论文中，研究人员利用新生成的扫描数据来测量蚂蚁在外部保护外壳上的投资程度。他们在《科学进展》中报告显示，具有较轻、成本较低角质层的物种倾向于形成更大的群体并在进化时间内更快速地多样化。

在他们的最新研究中，Antscan团队转向了一个不同的进化问题：2020年柯里和他的同事在中美洲切叶蚁中首次描述的生物矿物"装甲"层的分布。对Antscan数据库的快速扫描显示，这种涂层——能够吸收X射线并在角质层上显示为明亮的鞘——并不是局限于一个物种的奇特现象。

相反，它在真菌养殖蚂蚁中很常见，这是大约2000万年前切叶蚁兴起的进化谱系，但在蚂蚁树的大多数其他分支中基本不存在。

未来应用前景

不过，这些只是数据库功能的早期演示。随着AI工具越来越能够解析庞大的信息丰富的数据库，Antscan的真正分析能力可能还在前方，科罗拉多州立大学C.P.吉列特节肢动物多样性博物馆主任Marek Borowiec说道，他记录了深度学习工具在生态学和进化中的兴起。

Antscan背后的雄心远超蚂蚁生物学。Economo和他的同事将其视为数字化、标准化和规模化解剖学本身的蓝图。

正如过去二十年大规模测序项目和基因组数据库改变了DNA研究一样，他们希望Antscan能够催化形态学的类似转变。"这有点像拥有形状的基因组，"Economo说。

博物馆收藏着数百万酒精保存的昆虫和其他小型无脊椎动物——甲虫、苍蝇、黄蜂、蜘蛛、甲壳动物——其中许多代表着稀有或已灭绝的种群。遵循Antscan的方案，每个都可以转换为高分辨率的"数字孪生"库。

在每种情况下，同步辐射显微CT将提供一种快速查看脆弱标本内部的方法，而无需切开它们，在生物多样性的广阔范围内以精致的细节捕获硬外骨骼和软组织。

主要同步辐射设施的光束时间稀缺且竞争激烈，这对任何规模化数字化生物多样性的努力都是实际瓶颈，Blagoderov指出。而且，"即使扫描存在，下游负担也不小：移动、存储和处理数百TB数据本身就可能成为瓶颈。"

但是，如果可以获得访问权限并将计算基础设施扩展到匹配的程度，此类努力可能会将自然历史博物馆从静态储存库转变为动态数字生物群落。

这种转变在地球物种加速流失的时代可能特别重要。通过以非凡的细节捕获生物体，像Antscan这样的资源创建了生命结构的永久高分辨率记录——一个解剖时间胶囊，可以在脆弱标本降解或野生种群消失很久之后查询和重新访问。

如果皮克斯有朝一日批准制作《昆虫总动员2》（建议标题：更加昆虫），工作室的角色设计师可能根本不需要太多艺术许可。多亏了粒子加速器和一小群敬业的科学家，参考模型已经在手——不是在动画软件中渲染，而是以微米级完美的解剖形式呈现。

Q&A

Q1：Antscan是什么？它能做什么？

A：Antscan是一个蚂蚁形态学3D图集平台，具有微米分辨率的重建图像，不仅展示昆虫的装甲外骨骼，还显示肌肉、神经、消化道和毒刺等内部结构。涵盖792个物种、212个属，任何人都可以通过在线门户旋转、缩放并虚拟"解剖"这些昆虫。

Q2：同步辐射显微CT相比传统方法有什么优势？

A：同步辐射显微CT利用粒子加速器产生异常明亮、相干的X射线，能够在几秒钟内捕获高分辨率内部解剖结构，无需传统扫描仪中为软组织对比度进行的冗长染色或预处理步骤，大大提升了扫描速度和通量。

Q3：Antscan数据库对未来研究有什么意义？

A：Antscan为生物形态学研究开创了新模式，就像基因组数据库改变DNA研究一样。随着AI工具发展，这个包含200多TB数据的资源可用于生物力学设计、机器人技术，以及在物种加速流失时代创建生命结构的永久高分辨率记录。