CC BY
13
Серия «Биология. Экология»
2008. Т. 1, № 1. С. 131-134 Онлайн-доступ к журналу: http://isu. ru/izvestia
И З В Е С Т И Я
Иркутского
государственного
университета
УДК 004.923
Первый опыт моделирования байкальской коловратки на примере Keratella cochlearis
Т. А. Ходжер, Ю. П. Сапожникова, В. Н. Дроздов, Н. Г. Мельник
Лимнологический институт СО РАН, Иркутск E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье производится попытка проанализировать перспективность применения методов моделирования 3-мерной (3D) структуры микрообъекта для биологических исследований. В качестве модельного объекта выбрана байкальская коловратка Keratella cochlearis - обычный обитатель пелагиали озера, смоделировано дорсальное и вентральное изображение коловратки и получена цифровая матрица поверхности ее панциря.
Ключевые слова: фотограмметрические методы, 3D модель, коловратка.
Исследование трехмерной структуры, а также формы микрообъекта существенно расширяет возможности биологических исследований, в отличие от применяемого на сегодняшний день подхода, в котором анализируется лишь плоская проекция исследуемого образца (световой микроскоп, растровый электронный микроскоп и т. п.). В зависимости от морфологических признаков и пространственной формы организма строится систематика животных, определяется их видовая принадлежность, в т. ч. для коловраток [8]. Возникает насущная задача -внесение качественных изменений в работу исследователя, занимающегося изучением морфологических признаков (морфологической вариабельности животных и т. п.) с помощью растровой электронной микроскопии путем внедрения новых информационных технологий.
Коловратки являются одним из важных компонентов экосистемы пелагиали оз. Байкал [2]. Благодаря своим небольшим размерам (десятки-сотни микрон), повсеместному распространению, морфологическому разнообразию и четкой системе «линейных» морфологических параметров панциря [3], они являются хорошим модельным объектом для выявления перспективности построения и анализа трехмерных изображений облика в ряде биологических исследованиях.
Так, в настоящее время обсуждается вопрос о реальной степени космополитизма среди коловраток в связи с наличием т.н. «скрытых» (cryptic) видов [7, 9]. В связи с этим может оказаться перспективным выявление (и последую-
щее измерение) видоспецифичных ключевых морфологических признаков не в общепринятых 2-мерных, а в 3-мерных изображениях. Это касается не только особенностей внешнего облика этих микроскопических животных, но скульптуры панциря или покоящихся яиц коловраток в 3D-режиме.
Для коловраток отмечено многообразие форм тела у разных видов и для ряда видов -исключительное внутривидовое фенотипическое разнообразие [8]. Например, два близкородственных эндемичных планктонных вида р. Notholca в пелагиали Байкала демонстрируют при сообитании две разные стратегии: N. grandis - многообразие форм, N. intermedia -стабильность облика внутри вида; ряд неэндемичных видов коловраток в Байкале также образуют серии морфотипов, в частности виды р. Keratella [1]. Компьютерное моделирование на 3-мерном образе коловраток поможет решать задачи экологической и эволюционной морфологии: выявлять принципы и причины формообразования по ключевым соотношениям пропорций тела или облика в 3D режиме, появление морфотипов в тех или иных условиях среды, и соответственно, определять причины различий видовых адаптивных стратегий. Такое компьютерное моделирование связано, таким образом: 1) с функциональной морфологией; 2) с приспособительной изменчивостью и формированием биоразнообразия; 3) с поиском принципиально новых ключевых признаков, т. е. с систематикой; 4) с экологией и, возможно, с топологией и бионикой. Как минимум, такие
исследования могут быть направлены на автоматизацию морфологических измерений и компьютерную видовую диагностику природных образцов из проб по схеме, отработанной на компьютерной модели. Особая задача - создание компьютерных атласов 3-мерных изображений планктонных животных Байкала.
Первый шаг работ подобного рода - создание компьютерной имитации особи определенного вида. В данной работе предпринята попытка создать такую имитацию на примере широко распространенной в пелагиали озера Байкал коловратки рода Keratella (Keratella cochlearis cochlearis).
Материалы и методы
Для проведения исследования был выбран образец коловратки K. c. cochlearis из пробы, взятой в октябре 1999 г. в Среднем Байкале на центральной станции разреза пр. Харауз -м. Красный Яр (из слоя воды 0-10 м). Длина панциря образца 130 мкм, ширина 55 мкм. Макет образца был создан с помощью программы 3D моделирования. Степень схожести модели с реальным биологическим объектом определялась характером поставленной задачи: было необходимо получить так называемую «болванку» - макет объемного тела с высокой степенью достоверности 3D формы образца.
Построение сложной структуры панциря биологического объекта в 3-мерных графических редакторах является задачей весьма трудоемкой и сложно выполнимой. Поэтому нами была предпринята попытка воссоздать сложный рисунок скульптуры с помощью фотограмметрических методов [5]. В Лимнологическом институте реализован алгоритм моделирования 3-мерных скульптур микрообъектов [6] с помощью стереопары биологического объекта, полученной на растровом электронном мик-
роскопе (РЭМ) Philips 525M. Данный алгоритм реализован в виде программного комплекса, интегрирующего как специально разработанное программное обеспечение Program of Analysis 3D Model (PA-3DM), так и лицензионную цифровую фотограмметрическую систему Z-Space І.2.
Для работы на растровом электронном микроскопе (РЭМ) была произведена гистологическая обработка образца по стандартной методике [3; 4]. Материал фиксировали в 2,5%-ном растворе глютаральдегида на 0,І М фосфатном буфере (pH 7,4) три часа, затем промывали тем же буфером с добавлением глюкозы и дофиксировали І%-ньім раствором четырех-окиси осмия на фосфатном буфере. Коловраток обезвоживали в ряду концентраций этанола. Напыленный золотом образец помещали в камеру микроскопа для получения стереопары с заданными углами (-5°, 0°, +5°).
Результаты и обсуждения
В результате проведенной работы были получены 3Б-модель коловратки (рис. І) и цифровая матрица рельефа поверхности коловратки K. c. cochlearis (рис. 2). Однако ожидаемой характерной скульптуры на спинной пластинке коловратки получить пока не удалось. Возможно, это отчасти связано с тем, что при подготовке образец претерпел некоторую деформацию ввиду примененной методики высушивания образца в термошкафу, а не при критической точке под глубоким вакуумом и высоким давлением. При условии доработки методики пробоподготовки и получения более реалистичной модели рельефной поверхности образца, нами делается вывод о принципиальной возможности построения цифровых 3D моделей байкальских коловраток и в целом - микрообъектов в биологических исследованиях.
Рис. І. Смоделированное изображение коловратки Keratella cochlearis cochlearis: а) дорсально, б) вентрально
ПЕРВЫЙ ОПЫТ МОДЕЛИРОВАНИЯ БАЙКАЛЬСКОЙ КОЛОВРАТКИ
133
Z4,IT( ■ [C:\7 SPACfWOtOVR-1
J fN;
J ICTS
*J J2J3
d □ *
ІИДДДЯДДД™ - -і _| ф __п|
Э 1 э
ГО го
© J і ъ
•с h
(Гї го ел m ГУ) 3 р, ГО U1 m го Ж. +* ■
14 d го 4
СП U1
. ч СП 0J р ч UI ы '/ “г Ч " % '
го я / г го
(Ті 1 (Ті
Рис. 2. Интерфейс программной среды 2-8расе с загруженной стереопарой коловратки
Ближайшая задача - создание на основе 3мерных моделей полученных образцов коллекции 3-мерных изображений байкальских коловраток. Создание такой коллекции является актуальной задачей, поскольку позволяет накапливать научную информацию для последующего морфологического сравнения с коловратками данных видов из других водоемов, определять их схожесть и принципиальные различия.
Литература
1. Аннотированный список фауны озера Байкал и его водосборного бассейна : в 2 т. - Новосибирск: Наука, 2001. - Т. 1. - 832 с.
2. Атлас и определитель пелагобионтов Байкала (с краткими очерками по экологии) / О. А. Тимошкин, Г. Ф. Мазепова, Н. Г. Мельник и др. - Новосибирск : Наука. Сиб. издат. фирма РАН, 1995. - 694 с.
3. Миронов А. А. Методы электронной микроскопии в биологии и медицине / А. А. Миронов, Я. Ю. Комиссарчик, В. А. Миронов. - СПб. : Наука, 1994.
4. Сапожникова Ю. П. Особенности морфологической поляризации сенсорных элементов слухового саккулярного эпителия у байкальских рогатко-
видных рыб (Cottoidei) / Ю. П. Сапожникова, И. В. Кли-менков, Н. Г. Мельник // Сенсорные системы. -
2007. - № 21(2). - 140-146.
5. Трубина Л. К. Стереомодели в изучении биологических объектов / Л. К. Трубина. - Новосибирск : СГГА, 2006. - 136 с.
6. Ходжер Т. А. Использование методов цифровой фотограмметрии для воссоздания рельефа чешуи байкальского омуля / Т. А. Ходжер, И. В. Бычков, М. Л. Тягун // Вычислительные технологии. -
2005. - Т. 10, № 4. - С. 107-110.
7. Segers H. Global diversity of rotifers (Rotifera) in freshwater / H. Segers // Hydrobiologia. - 2008. -Vol. 595. - P. 49-59.
8. Wallace R. L. Rotifera / R. L. Wallace, Т. W. Snell, C. T. Ricci et al. // Volume 1 : Biology, Ecology and Sys-tematics (2nd edition). In : Dumont H.J.F., Guides to the identification of the microinvertebrates of the world // Kenobi Productions and Backhuys Publishers, Leiden,
2006. - 299 p.
9. Wallace R. L. Species composition and distribution of rotifers in Chihuahan Desert waters of Mexico : is everything everywhere? / R. L. Wallace, E. J. Walsh, Th. Schroder et al. // Verh. Internat. Verein. Limnol. -
2008. - Vol. 30, Part 1. - P. 73-76.
The first pilot modelling of a Baikal Rotifer on the example of Keratella Cochlearis
T. A. Hodzher, U. P. Sapoznikova, V. N. Drozdov, N. G. Melnik Institute of Limnology SB RAS, Irkutsk
Abstract. This work tries to analyze availability of the method application of 3D structure modelling of a microobject for biological studies. A Baikal rotifer Keratella cochlearis, a common inhabitant of the lake pelagic zone, was chosen as a model object. Dorsal plate and ventral image of the rotifer were modelled and digital matrix shape of its frustule was compiled.
Key words: photogrammetric methods, 3D model, and rotifer.
Серия «Биология. Экология». 2008. Т. 1, № 1
Ходжер Татьяна Андреевна Лимнологический институт СО РАН 664G33, г. Иркутск, а/я 278 научный сотрудник гр. ИТП тел. (395 2) 51-13-G1
Сапожникова Юлия Павловна Лимнологический институт СО РАН 664G33, г. Иркутск, а. я. 278 аспирант
тел. 8(395 2) 42-2б-95
Дроздов Виктора Николаевич Лимнологический институт СО РАН 664G33, г. Иркутск, а/я 278 главный специалист гр. ИТП тел. (395 2) 42-2б-95
Мельник Наталья Григорьевна Лимнологический институт СО РАН 664G33 г. Иркутск, а/я 278
кандидат биологических наук, зав. лабораторией биологии рыб и водных млекопитающих тел. (395 2) 42-2б-95,
E-mail: [email protected]
Hodger Tatyana Andreyevna Institute of Limnology SB RAS 664033, Irkutsk, 3, Ulan-Batorskaya St. research scientist phone: 42-65-04, fax: 42-54-05
Sapozhnikova Yulia Pavlovna Institute of Limnology SB RAS 664033, Irkutsk, 3, Ulan-Batorskaya St. doctoral student
phone: 42-65-04, fax: 42-54-05
Drozdov Viktor Nikolaevitch Institute of Limnology SB RAS 664033, Irkutsk, 3, Ulan-Batorskaya St. principal specialist phone: 42-65-04, fax: 42-54-05
Melnik Natalya Grygorievna Institute of Limnology SB RAS 664033, Irkutsk, 3, Ulan-Batorskaya St.
Ph.D. in Biology, senior research scientist, Head of Laboratory of Fish and Water Mammals Biology phone: 42-65-04, fax: 42-54-05 E-mail: [email protected]
