Математик среди биологов: заметки с тегом микроводоросли

Серия заметок об анализе траекторий движения протист

Антон Лях — Wed, 22 Feb 2023 18:18:28 +0300

Последнее обновление 5 янв. 2024 года.

Планирую выпустить серию заметок про обработку видео с подвижными живыми микрообъектами. Мы хотим понять, как двигаются одноклеточные организмы (протисты) определенного вида при разных условиях, меняется ли что-то в их движении и что именно. Это наша задача.

Задача: определить, что меняется в движении протист при разных условиях

Решение задачи состоит из нескольких шагов: подготовки культуры, съемки видео, обработки видео, выделения траекторий движения, анализа траекторий, общего анализа результатов, интерпретации, выводов.

Оглавление серии

Ниже приведен список шагов, оформленный в виде оглавления, и даны ссылки на готовые заметки с подробным описанием каждого шага. Шаги предварительные, они будут появляться и, иногда, исчезать. О том, как выращивать и поддерживать культуры одноклеточных и как снимать видео через микроскоп рассказывать не буду.

Оглавление, введение, софт. ← Вы здесь
Готовим видео
Улучшаем качество и нарезаем видео на кадры.
Комбинируем кадры в многослойные тифы.
Провал попытки прослеживания перемещения протист.
mov2bin — скрипт для бинаризации видео движения микроорганизмов.
Обрабатываем видео
Выделяем траектории.
Анализируем траектории.

Серию заметок выпускаю прежде всего для себя, чтобы не забыть, что, как и когда делать. Также она будет полезна тем читателям, кто планирует или выполняет похожие эксперименты.

Немного о рутине

Обычно для выполнения рутинной работы берется (один) аспирант или инженер, который своим (еще не растраченным) упорством добивает этот этап до более-менее приемлемого результата. В худшем случае рутиной занимаются сами идеологи или один из них, который, впоследствии, еще и отхватывает пинков за ошибки. (О времена, о нравы!) Я же, по возможности, буду автоматизировать рутинные этапы, заставляя потеть машину.

Необходимый софт

Для автоматизации рутины использую:

~~Пакетный файл Виндоус (батч-файл, bat-файл)~~
Баш (bash) Юникса для исполнения алгоритмов обработки видео и изображений;
FFmpeg для автоматической работы с видео;
ImageMagick для автоматической обработки изображений кадров;
~~Fiji для построения траекторий.~~
Эр для выделения объектов на кадрах и построения траекторий движения объектов.

Заметил, что многие естествоиспытатели просто не умеют нагружать компьютер работой. Одну из заметок посвящу инструментам автоматизации, облегчающим научную жизнь.

Занесите заметку в закладки, чтобы не потерять.

Панцирь диатомовых водорослей — это геометрически правильная коробочка

Антон Лях — Sat, 23 Jan 2016 21:44:30 +0300

Диатомовые водоросли — это микроскопические самостоятельные растения, обитающие в воде.

Цвет живых диатомовых водорослей меняется от светло-желтого до буро-зеленого из-за пигментов: каротина, ксантофилла и диатомина. Фото Микроскопи-ЮК

Средний размер диатомовых водорослей 5-150 микрон. Диатомовые видны только в микроскоп.

Диатомовые относятся к одноклеточным водорослям. Это не куст, растущий под водой. Это одна полноценная клетка с хлоропластами, ядром и вакуолями, покрытая прочным панцирем.

Диатомовая — самодостаточный организм. Фото Микроскопи-ЮК

Это не дерево — это колония диатомовых вида Licmophora flabellata

Самое интересное в диатомовых — это панцирь. Он прочный, потому что состоит из кремния. Точнее на 87-99% из аморфного кремнезема или гидрата диоксида кремния SiO₂·nH₂O, аналогичного опалу.

Панцирь прозрачен и без труда пропускает солнечные лучи, необходимые для фотосинтеза. Углекислый газ, кислород, азот, фосфор и другие биогенные элементы поступают внутрь клетки через крошечные отверстия в стенках панциря — поры, ареолы и альвеолы.

Отверстия в стенках панциря Achnanthidium minutissimum. Фотография из черновика статьи Кетрин Лайнвебер и Питера Крота

Панцирь диатомовых геометрически правилен. Природа сконструировала огромное разнообразие математически выверенных форм панцирей диатомовых, покрытых многочисленными структурными элементами.

Панцирь устроен как коробка из-под леденцов. Он состоит из двух надетых одна на другую половин — крышки эпитеки и донышка гипотеки. Эпитека всегда больше гипотеки. Основания эпитеки и гипотеки называются створками, боковые каемки — пояском. Поясок не цельный, а состоит из отдельных вставочных ободков.

Панцирь диатомовых — это коробочка

Жесткий панцирь-коробочка накладывает ограничение на рост микроорганизма. Диатомовая растет только в одном направлении: вдоль центральной оси, которая проходит перпендикулярно плоскости створок. Рост происходит за счет нарастания пояска — между краем створки и пояском нарастают новые вставочные ободки. Таким способом диатомовая увеличивает высоту панциря.

Диатомовая растет только по высоте

Длина и ширина панциря уменьшаются после деления клетки. Во время деления панцирь-коробочка раскрывается. Эпитека и гипотека расходятся и дают жизнь двум организмам. Дочерние клетки получают от родителя половину панциря, которая становится эпитекой. Получается, что эпитека и гипотека родителя всегда превращаются в эпитеку потомков.

Деление диатомовой из рода Striatella или Pseudostriatella

Так как эпитека больше гипотеки, то дочерняя диатомовая, выросшая из гипотеки родителя, будет немного меньше размера родителя — примерно на двойную толщину стенок панциря. Вторая дочка останется такой же. Это каноническое правило Макдональда-Пфитцера.

После деления половина диатомовых уменьшается в размере, другая — остается такой же

Из всякого правила есть исключения. Некоторые виды диатомовых после деления не уменьшаются в размере. Возможно это связано с гибкостью поясковых ободков, что позволяет гипотеке оставаться равной или даже превышать по размеру эпитеку. Однако эта гипотеза требует исследований.

Диатомовые рода Dytilum и Odontella от Чарльза Креба

Диатомовые интересны не только жизненным циклом, но и разнообразием кремниевых элеметов панциря. Панцирь-коробочка — это первое приближение к морфологии диатомовых. Чем больше детализация — тем больше структур и сложнее систематика видов.

Из-за этого систематики мучаются. Они описывают новые виды, переописывают коллекции коллег, и никак не придут к единому мнению — что есть вид диатомовой.

Блог Сциентифик Американ относит диатомовые водоросли к микробам

А диатомовые, тем временем, живут в стеклянном домике неторопливой жизнью, и им абсолютно начхать на систематику.

Резюме

Кремниевый панцирь диатомовой устроен как геометрически правильная коробочка.
Жесткий панцирь позволяет организму расти только в одном направлении — по высоте.
После деления длина и ширина панциря одной из дочерей слегка уменьшается, но у некоторых видов панцири остаются такими же.
Систематика диатомовых сложная штука.

Если вам вдруг непреодолимо захотелось меня поблагодарить, переведите мне 200 руб. на чашеку кофе.

Гипотеза Кеппена: фитопланктон парит из-за нагрева

Антон Лях — Wed, 02 Dec 2015 17:41:12 +0300

Фитопланктон — это микроскопические одноклеточные водоросли, которые встречаются в толще морей, океанов, озер, рек и прудов. Они свободно парят во власти водных потоков.

Фитопланктон Северного моря, преимущественно диатомовые водоросли. Найдено на Пинтересте

В первом томе книги И. А. Киселева «Планктон морей и континентальных водоемов» 1969 года нашел интересную гипотезу Кеппена (Koppen, 1921) о причинах парения фитопланктона (стр. 444):

«Так как фитопланктеры, поскольку они не совсем прозрачны, абсорбируют солнечные лучи больше, чем вода, то они должны нагревать соседние частицы воды и через это заставлять их всплывать»

Окружающий приорганизменный слой теплой воды будет увлекать микроводоросль вверх. Губер-Песталоцци (Huber-Pestalozzi, 1938) продолжает:

«Хотя этот подъем может быть лишь крайне незначительной интенсивности, однако он представляет силу, которая противодействует погружению по крайней мере при совершенно безветренной солнечной погоде»

Гипотезу нагрева плактонных водорослей еще никто экспериментально не проверил и не опроверг.