यहाँ प्रस्तुत तकनीक आज़ादी एकल तरंगदैर्ध्य जोखिम का उपयोग सूक्ष्म प्रजातियों तैराकी के पथ के उपाय. सी. एलिगेंस महंगा सूक्ष्मदर्शी के लिए एक सस्ता विकल्प के रूप में छाया इमेजिंग प्रदर्शित करने के लिए उपयोग किया जाता है. इस तकनीक को दिशा, गति, त्वरण और बलों को मापने के लिए विभिन्न झुकाव, वातावरण और प्रजातियों को समायोजित करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है.
इस अध्ययन में ऐसी स्थिति, गति, त्वरण और प्रकाश की एक तरंग दैर्ध्य के जवाब में पानी की एक कॉलम में निलंबित नेमाटोड के locomotory व्यवहार में शामिल बलों के रूप में भौतिक गुणों की माप की अनुमति देता है कि एक सस्ता और सरल तकनीक को दर्शाता है. हम दो अलग उदाहरण का उपयोग एकल तरंगदैर्ध्य छाया इमेजिंग (SWSI) का उपयोग कर एक सूक्ष्म जीव की हरकत का मूल्यांकन करने के लिए कैसे प्रदर्शित करता है.
पहला उदाहरण सी. की औसत वंश का एक व्यवस्थित और सांख्यिकीय रूप से व्यावहारिक अध्ययन है पानी का एक स्तंभ में एलिगेंस. इस अध्ययन के लिए, हम जीवित और मृत wildtype सी. इस्तेमाल किया हम गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के भीतर मृत कीड़े के निष्क्रिय वंश के साथ निमेटोड सक्रिय आंदोलन का वेग और दिशा की तुलना में एलिगेंस., इस अध्ययन वंश बार में कोई अंतर नहीं दिखाया. औसत वंश सुसंगत 633 एनएम का उपयोग दोनों रहते हैं और मृत कीड़े के लिए 0.1 मिमी / सेकंड ± 1.5 मिमी / सेक थाप्रकाश.
दूसरा उदाहरण का चयन व्यक्तिगत सी. के एक मामले का अध्ययन है एलिगेंस एक ऊर्ध्वाधर पानी कॉलम में वंश के दौरान दिशा बदल रहा है. त्वरण और बल इस उदाहरण में विश्लेषण कर रहे हैं. इस मामले का अध्ययन परंपरागत सूक्ष्मदर्शी से सुलभ नहीं है कि एक वातावरण में एक तरंग दैर्ध्य का उपयोग कर व्यवहार का मूल्यांकन करते समय SWSI का उपयोग कर मूल्यांकन किया जा सकता है कि अन्य भौतिक गुणों की गुंजाइश को दर्शाता है. हम एक व्यक्ति निमेटोड का अनुमान इस विश्लेषण का उपयोग 28 एन से अधिक में एक शक्ति के साथ thrusting करने में सक्षम है.
हमारा निष्कर्ष मोड़, या गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के खिलाफ जब चलती रहने वाले नेमाटोड 28 एन डालती है कि संकेत मिलता है. निष्कर्ष आगे नेमाटोड निष्क्रिय पानी के एक स्तंभ में उतर सुझाव है कि, लेकिन सक्रिय रूप से मुख्य रूप से दिशा बदल कर गुरुत्वाकर्षण बल का विरोध कर सकते हैं.
Caenorhabditis एलिगेंस संवेदी जीव विज्ञान और व्यवहार को समझने के लिए हाल ही में जीन विनियमन, विकास और अधिक के तंत्र के अध्ययन के लिए एक शक्तिशाली मॉडल जीव है कि एक मुक्त रहने वाले लाभकारी मिट्टी निमेटोड है. केवल 302 न्यूरॉन्स, सी. होने के बावजूद एलिगेंस जटिल locomotory पैटर्न, प्रजनन व्यवहार, नेविगेशन, chemotaxis और कई अन्य व्यवहार करने में सक्षम हैं. सी. एलिगेंस mechanoreceptors, chemoreceptors और यहां तक कि प्रकाश के नीले तरंगदैर्ध्य (वार्ड एट अल., 2008) 1 का पता लगाने के अधिकारी. ज्यादा ज्ञानेन्द्रिय समारोह के तंत्रिका circuitry और सी में सामान्य locomotory पैटर्न के बारे में जाना जाता है एलिगेंस, कम एकाधिक समवर्ती उत्तेजनाओं या एक खुर्दबीन के नीचे मॉडलिंग की जा सकती की तुलना में अधिक जटिल पर्यावरण की स्थिति के लिए प्रतिक्रियाओं के बारे में जाना जाता है. कुछ अध्ययनों से अत्यधिक प्लास्टिक 2,3,4 हैं कि अधिक जटिल locomotory पैटर्न से पता चला है. हमारे methodological दृष्टिकोण NEM की पढ़ाई कर सकेंगेहम आसानी से एक साथ कई पर्यावरण की स्थिति प्रदान कर सकते हैं, जहां वास्तविक समय में समाधान में atodes. इस सवाल पारंपरिक माइक्रोस्कोप आधारित इमेजिंग तकनीक का उपयोग कर पता करने के लिए मुश्किल है. हम हमें locomotory व्यवहार की जांच, साथ ही विभिन्न पर्यावरणीय स्थितियों के जवाब में हरकत बदलने के लिए नेमाटोड की क्षमताओं को निर्धारित करने के लिए एक पानी स्तंभ के भीतर नेमाटोड जगह करने की अनुमति देता है कि एक इमेजिंग तकनीक विकसित की है.
एकल तरंगदैर्ध्य छाया इमेजिंग (SWSI) पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी की कमियों को संबोधित करने के लिए पहली बार इस पत्र में प्रस्तुत किया है. पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी गहराई 5,6 में एक क्षैतिज फोकल हवाई जहाज़ कुछ माइक्रोन में प्रजातियों का पालन करने के लिए सीमित कर रहे हैं. एकल तरंगदैर्ध्य पढ़ाई के बारे में, सबसे पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी बहुत मोटे तौर पर, आम तौर पर, 50-100 एनएम सफेद प्रकाश फिल्टर करने के लिए रंग फिल्टर का उपयोग करें. साइन बनाए रखते हुए SWSI के लिए एक लेजर का उपयोग कम से कम 1 एनएम तरंगदैर्ध्य चयन संकरीificant प्रकाश की तीव्रता 7. इसी तरह, एक तरंग दैर्ध्य सी. की तैराकी आवृत्तियों को मापने के लिए इस्तेमाल किया गया है वास्तविक समय 8 में एलिगेंस.
हमारे विधि का पहला प्रदर्शन के लिए, हम एक स्वतंत्र रूप से तैराकी सी. की क्षैतिज स्थिति, एक्स, और ऊर्ध्वाधर स्थिति, वाई, की निगरानी के बारे में एक सेंटीमीटर की दूरी पर एक पानी स्तंभ में एलिगेंस,. गुरुत्वाकर्षण भी खड़ी कार्य करता है के बाद से विशेष रूप से, हम ऊर्ध्वाधर आंदोलन में रुचि रखते हैं. यह पानी स्तंभ में उतरता है ऊर्ध्वाधर स्थिति के लिए एक रेखीय फिट की ढलान निमेटोड के ऊर्ध्वाधर गति, वी वाई, देता है:
(1)
जड़ मतलब त्रुटि (RMSE) 9 के वर्ग फिट की गुणवत्ता को इंगित करता है और घटते गति आम तौर पर स्थिर है कि क्या इंगित करता है. ऊर्ध्वाधर गति तो पूर्वी वायु कमान के लिए औसत निकाला जाता हैज प्रजातियों और मृत कीड़े. इन परिणामों के प्रयोग, कीड़े अनुभव अनुमान लगाया जा सकता है जो खींचें.
हमारे विधि के दूसरे प्रदर्शन के लिए, हम सी. चयनित मनाया कीड़े के बहुमत के विपरीत एक स्थिर दर पर उतर नहीं था कि एलिगेंस. चयनित कीड़े घूमा और ऊपर की तरफ तैरा या वंश जारी रखने से पहले कुछ समय के लिए hovered या तो. शारीरिक रूप से, इस मामले का अध्ययन एक स्विमिंग सूक्ष्मजीव का जोर गणना की जा सकती है कि पता चलता है. न्यूटन के नियम निर्देशों में परिवर्तन है कि एक तो शरीर शुद्ध बल का तात्पर्य है, जो accelerates हुक्म है कि, , शरीर है कि 10 पर काम कर रहा है:
(2)
जहां हैरेखीय गति और टी समय है. कीड़ा के द्रव्यमान स्थिर बनी हुई है, क्योंकि कीड़ा के त्वरण कीड़ा पर अभिनय बल को सीधे आनुपातिक है. नतीजतन, खड़ी शुद्ध बल है:
(3)
एम एक कीड़ा की बड़े पैमाने पर है और एक वाई खड़ी त्वरण का प्रतिनिधित्व करता है. ऊर्ध्वाधर दिशा में शुद्ध बल तो एक ही दिशा में कीड़ा जोर का प्रतिनिधित्व करता है. कुल जोर खाते में क्षैतिज घटक लेने से गणना की जा सकती.
SWSI तकनीक मुक्त रहने वाले नेमाटोड जैसे सूक्ष्म जीवों का locomotory क्षमताओं को समझने के लिए एक अतिरिक्त तरीका प्रदान करता है. इस तकनीक के साथ हम गुरुत्वाकर्षण के कारण मृत नेमाटोड पर संचालन के लिए सक्रिय हरकत (तैराकी) और निष्क्रिय बहाव के बीच प्रतिष्ठित किया है. मुक्त तैराकी नेमाटोड पानी में हरकत दौरान दिशा बदल जब इसके अलावा, हम नेमाटोड पर सक्रिय है और नेमाटोड द्वारा लगाए जाते हैं जो खींचें बलों और कोणीय बलों, उपाय करने में सक्षम हैं.
नेमाटोड मिट्टी के भीतर विभिन्न पर्यावरणीय स्थितियों का सामना. पानी मिट्टी के भीतर जेब, साथ ही ठोस कणों और अलग अलग आकार और बनावट की जैविक सामग्री के होते हैं. इसके अलावा, नेमाटोड वे 14 का जवाब है कि एक गुरुत्वीय वातावरण में मौजूद. इसके अलावा, मिट्टी की सतह के पास नेमाटोड अलग तरह के प्रकाश की तरंग दैर्ध्य, तापमान और आर्द्रता में परिवर्तन, और साथ ही सामने आ रहे हैं जैविकबैक्टीरिया, हिंसक कवक और अन्य मिट्टी जीवों की तरह चर. नेमाटोड, इन सभी विभिन्न चर को तैराकी और विभिन्न मीडिया में रेंगने, मोड़ और नौवहन रणनीति में फेरबदल जवाब चाहिए. इन जटिल गणनाओं के सभी केवल 302 न्यूरॉन्स, हरकत में शामिल हैं, जिनमें से एक सबसेट, और 95 शरीर दीवार मांसपेशियों की कोशिकाओं द्वारा किया जाता है. SWSI तकनीक द्वारा वर्णित प्रकार की माप नेमाटोड इस नौवहन जटिलता को पूरा कैसे महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं.
पहले भाग के लिए, हम wildtype सी. के समग्र घटते दर मापा है 633 एनएम प्रकाश में एलिगेंस. इन माप का उपयोग करना, हम खींचें बल एक कीड़ा मुठभेड़ों अनुमान कर सकते हैं.
एक त्वरक निमेटोड के मामले का अध्ययन के लिए, बलों की गति के साथ खींचें बल परिवर्तन के बाद से लगातार परिवर्तन शामिल किया गया. हम कीड़ा पर अभिनय बलों के बारे में बनाने में सक्षम हैं कि कुछ बयान कर रहे हैं. कीड़ा नीचे धीमा कर देती है और दप की कोशिश करता हैयह निमेटोड के प्रक्षेपवक्र की कम बिंदु पर शून्य तक पहुँच जाता है जब तक Im ऊपर की ओर खींचें बल के ऊर्ध्वाधर घटक कम हो जाती है. इस बिंदु पर, कीड़ा ऊपर तैरने के लिए एक ऊपर की ओर बल होना चाहिए.
यह विधि कई मायनों में संशोधित किया जा सकता है. एक साफ तरल में नेविगेट करता है कि किसी भी सूक्ष्म प्रजातियों SWSI का उपयोग कर लगाया जा सकता है. अध्ययनों से डिजिटल कैमरों के लिए पहुंच रहे हैं कि किसी भी तरंग दैर्ध्य के साथ आयोजित किया जा सकता है. डिजिटल कैमरों आमतौर पर यूवी से पास आईआर को लेकर तरंग दैर्ध्य ले जाएगा. इसके अलावा, क्षैतिज पढ़ाई खड़ी ऊपर की ओर लेजर निर्देशन द्वारा आयोजित किया जा सकता है. प्रजातियों तो एक खुर्दबीन स्लाइड की तरह, एक क्षैतिज पारदर्शी सतह पर रखा जा सकता है. किरण विस्तारक के बाद किरण विस्तारक या आवर्धक लेंस समायोजित करना blurry छवियों पैनापन ला सकता है. उपयोगकर्ता सुसंगत और आसान बीम संरेखण सुनिश्चित करने के लिए मेज पर सभी घटकों को दृढ़ करने के लिए सुनिश्चित किया जाना चाहिए.
विधि उपलब्ध लेजर wavelengt द्वारा सीमित हैएच एस और संकल्प. सेटअप सरल है क्योंकि संक्षेप में दिशाओं और तरंग दैर्ध्य में लचीलापन हैं जो मौजूदा सूक्ष्मदर्शी, पर इस विधि का लाभ भी कमजोरियों हैं. लेजर का अपरिष्कृत प्रकाशिकी और speckles के संकल्प की सीमा. इन कमियों के कुछ निश्चित रूप से स्थानिक फिल्टर सहित और एक सीसीडी कैमरे पर सीधे छवि पेश करने से भविष्य में सुधार किया जा सकता है.
प्रयोग पहली बार किया जाता है के रूप में प्रोटोकॉल में सबसे महत्वपूर्ण कदम आसानी से सीखा जा सकता है. अशांति पैदा करने के बिना क्युवेट में निमेटोड रखने के लिए महत्वपूर्ण है. इसके अलावा, कंपन सेटअप परेशान और कीड़े के व्यवहार को बदल सकता है. छवि छाया के लिए इस्तेमाल किया जाता है जो शक्ति, सीमित करने के लिए सुनिश्चित करें. व्यास में 1 मिमी है कि एक लेजर बीम के लिए 2 मेगावाट ताप प्रभाव से बचने के लिए अधिक से अधिक होना चाहिए. सेटअप आसुत जल से अन्य तरल पदार्थ का उपयोग करते समय प्रभाव बिखरने के लिए परीक्षण किया जाना चाहिए.
वर्तमान में सबसे Microscopes तरंगदैर्ध्य रेंज में अभी भी बहुत व्यापक हैं, जो श्वेत प्रकाश या रंग फिल्टर का उपयोग कर एक क्षैतिज विमान पर कार्य करते हैं. सही मायने में एक तरंग दैर्ध्य का उपयोग करें और देखने के परिदृश्य में लचीलापन, यानी क्षैतिज प्लेसमेंट है कि सूक्ष्मदर्शी, आमतौर पर एक लाभ या अन्य करने के लिए सीमित कर रहे हैं. इसके अलावा, सूक्ष्मदर्शी के इन प्रकार आमतौर पर बहुत महंगा है और अभी भी हमारे विधि के विपरीत फोकल विमानों के लिए सीमित कर रहे हैं. हमारे सेटअप आसानी से एक बहुत ही कम बजट के साथ बनाया जा सकता है. इस विधि थोड़ा धन के साथ काम करते हैं कि स्कूलों, पर्यावरण कंपनियों के साथ ही अन्य संस्थाओं द्वारा इस्तेमाल किया जा करने के लिए तैयार है. भविष्य में, इस विधि हरकत और सूक्ष्म प्रजातियों की mechanosensation पर वास्तविक समय प्रभाव का अध्ययन करने के लिए एक बहुत परिष्कृत सेटअप में इस्तेमाल किया जा सकता है. इस विधि के कोण और आसानी से उपलब्ध देखने गहराई की एक विस्तृत श्रृंखला में एकल तरंगदैर्ध्य पढ़ाई करता है.
The authors have nothing to disclose.
हम वासर कॉलेज अंडर ग्रेजुएट रिसर्च ग्रीष्मकालीन संस्थान (URSI), लुसी मेनार्ड सामन रिसर्च फंड, नासा पुरस्कार नहीं NX09AU90A, विज्ञान और प्रौद्योगिकी (NSF-शिखा) में अनुसंधान उत्कृष्टता के लिए राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन केंद्र पुरस्कार नहीं के समर्थन के लिए आभारी हैं 0630388 और NSF पुरस्कार सं 1058385.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Tunable Helium-Neon laser | Research Electro-Optics | 30602 | Four wavelengths can be selected between 543 nm and 633 nm. |
2 Front Surface Aluminum Mirrors | Thorlabs | PF10-03-F01 | |
High Speed Exilim Camera | Casio | ||
Quartz Cuvette | Starna Cells | 21/G/5 | |
LoggerPro (Software) | Vernier | http://www.vernier.com/products/software/lp/ | |
Mathematica 8 | Wolfram | http://www.wolfram.com/ | |
5x – 10x variable zoom Galilean beam expander | Thorlabs | BE05-10-A | |
Plano-convex lens with a positive focal length of 75 mm | Thorlabs | LA1257 |