مقالات عامة

تلقي التقنيات ثلاثية الأبعاد الضوء على ما يجعل رئتي الطيور فعالة للغاية

مجلة المذنب نت متابعات عالمية:

الطيور حيوانات مهمة للغاية. تلعب أنواع الطيور البالغ عددها 11000 نوعًا في العالم دورًا حاسمًا في السلسلة الغذائية ، وبالتالي في وجود الحياة الحيوانية ، بصفتها مفترسات ، وملقحات ، ومشتتات للبذور ، وآفات زبال ، ومهندسين بيولوجيين للنظام الإيكولوجي.

لقد شكلوا أيضًا تطور المجتمعات البشرية ثقافيًا وفلسفيًا وفنيًا واقتصاديًا وعلميًا. تحتل الطيور مكانة بارزة في تاريخ الرسم والشعر والتجارة والموسيقى.

نظرًا لأنه يمكنها الهروب بسهولة من الموائل غير الملائمة ، فإن الطيور تعتبر حيوانات “حراسة” مهمة: يشير عدد الأنواع وتنوعها إلى صحة البيئة. يقول تقرير حالة الطيور في العالم لعام 2022 الصادر عن منظمة BirdLife International أن حوالي نصف جميع أنواع الطيور آخذة في التناقص وأن أكثر من واحد من كل ثمانية منها معرض لخطر الانقراض.

تساهم معرفة بيولوجيا الطيور ومكانها في النظم البيئية في استنباط جهود الحفظ. يشرح علم الأحياء لماذا تتصرف الحيوانات بالطريقة التي تتصرف بها وما الذي يهدد بقاءها.

أحد جوانب بيولوجيا الطيور التي لطالما اهتم بها العلماء هي رئتيهم. فهي معقدة للغاية من الناحية الهيكلية وفعالة وظيفيا. رئتيهم هي التي تسمح للطيور بالطيران. يستخدم الطيران قدرًا هائلاً من الطاقة ويطير بعض الطيور دون توقف لمسافات طويلة جدًا أو على ارتفاعات عالية جدًا حيث يوجد القليل من الأكسجين.

حتى بعد دراسة مكثفة ، استمرت الأسئلة حول الهندسة الحيوية للجهاز التنفسي للطيور. وهي تتعلق بكيفية تشكيل الشعب الهوائية والأوعية الدموية وترتيبها وتوصيلها ، وكيفية تدفق الهواء حول الرئة.

لاستكشاف هذه الجوانب من رئة الطيور ، استخدمت أنا وزملائي مجموعة متنوعة من التقنيات. يعد إعادة بناء الكمبيوتر التسلسلي ثلاثي الأبعاد (3-D) أحد هذه العناصر.

أظهر لنا استخدام هذه التقنية أن الهياكل الدقيقة (الشعيرات الدموية الهوائية والدموية) التي يتم تبادل الأكسجين بينها ليست بالشكل الذي كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنه. نظرًا لأنها صغيرة جدًا ومتشابكة بشدة مع بعضها البعض ، لم يكن من الممكن رؤية أشكالها ووصلاتها بوضوح حتى استخدمنا إعادة البناء ثلاثية الأبعاد. تمكنا بعد ذلك من معرفة ما الذي يجعل رئة الطيور فعالة للغاية في امتصاص الأكسجين اللازم لإطلاق الطاقة – وهو مفتاح البقاء على قيد الحياة.

التقرب

لمئات السنين ، تمكن العلماء فقط من دراسة الهياكل البيولوجية في بعدين – تم وضع أقسام من الأنسجة تحت مجهر ناقل الحركة. في أواخر السبعينيات ، كان سيدني برينر ، المولود في جنوب إفريقيا ، الحائز على جائزة نوبل ، أول من طبق الحوسبة لإعادة بناء سلسلة من الأقسام. في الآونة الأخيرة ، أحدثت منهجيات إعادة الإعمار ثلاثية الأبعاد ثورة في مختلف مجالات علم الأحياء.

اللوحة 1: المسالك الهوائية والشرايين وأوردة رئة الطيور.
جون نديغوا ماينا

أظهرت لنا عملية إعادة البناء ثلاثية الأبعاد أن الشعب الهوائية والأوعية الدموية تتبع بعضها البعض وتزود أجزاء معينة من رئة الطائر. لا ترتبط الفروع المختلفة لنظام مجرى الهواء ببعضها البعض وكذلك فروع نظام الدم. تمكنا من الحصول على رؤية أوضح لأشكال ووصلات الشعيرات الدموية والشعيرات الدموية في الرئة. يزيد التشابك المضغوط للشعيرات الدموية من مساحة سطح الجهاز التنفسي مع تقليل سمك حاجز غاز الدم.

يشكل تصميم رئتي الطائر نظامًا عالي الكفاءة لتبادل الغازات مع احتياطي وظيفي كبير. يتم تهوية الرئتين بشكل مستمر وفي اتجاه واحد (من الخلف إلى الأمام) بهواء “نقي” من خلال الإجراءات المنسقة للأكياس الهوائية الكبيرة جدًا. خلال كل دورة تنفسية ، يتم استبدال الهواء الموجود في الرئة بهواء “نظيف”. هذا يحافظ على ضغط مرتفع يدفع الأكسجين إلى الدورة الدموية عبر الرئة. إنه يمنح الطيور قوتها في الطيران.

قدمت إعادة بناء القسم التسلسلي ثلاثي الأبعاد لدينا تفاصيل جديدة وأكدت على قيمة التقنية للتحقيق في الهياكل البيولوجية المعقدة.

إعادة الإعمار ثلاثي الأبعاد

يستلزم إعادة الإعمار ثلاثي الأبعاد إعداد نموذج مكاني لهيكل من صور ثنائية الأبعاد. نظرًا لأن الأمر يستغرق وقتًا ، والكثير من المواد والمهارات المتخصصة ، فلا يتم استخدامه غالبًا في الدراسات البيولوجية.

استخدمنا الطريقة على رئة الدجاج لأن هذا هو الحيوان النموذجي لدراسة بيولوجيا الطيور.

لقد قطعنا 2689 مقطعًا متسلسلًا من رئة الدجاج بسمك 8 ميكرومتر (كل ميكرومتر يمثل جزءًا من مليون من المتر). قمنا بتلوينها وتركيبها على شرائح زجاجية ، ومقاطع مصورة ومحاذاة الصور لإعادة البناء باستخدام برنامج مفتوح المصدر.

هناك طرق أخرى حديثة لإعادة البناء ثلاثية الأبعاد أسرع وأرخص وأسهل في الاستخدام. لكن إعادة بناء المقطع التسلسلي النسيجي ثلاثي الأبعاد (تكوين صورة من شرائح رقيقة من الأنسجة) يظل أسلوبًا مهمًا للغاية. تتمتع عمليات إعادة البناء بتباين أفضل ونسبة إشارة إلى ضوضاء (هناك معلومات أقل غير مرغوب فيها). أيضًا ، يمكن استخدام الأصباغ والعلامات لتعزيز تحديد الهياكل.

الشعيرات الدموية في رئة الطيور

أظهرت لنا العملية أن الوحدات التنفسية الطرفية الصغيرة للغاية في رئة الطيور – التي تسمى منذ فترة طويلة “الشعيرات الدموية” – ليست كذلك: فهي بالأحرى هياكل مستديرة ، متصلة ببعضها البعض بواسطة ممرات ضيقة جدًا.

اللوحة الثانية. الشعيرات الدموية (أعلى) والشعيرات الدموية (أسفل)
جون إن ماينا

علاوة على ذلك ، فإن “الشعيرات الدموية” ليست شعيرات دموية “حقيقية” مثل تلك الموجودة في معظم الأنسجة والأعضاء الأخرى التي تكون أطول بكثير من عرضها. وهي تتألف من أجزاء منفصلة بشكل واضح والتي تكون تقريبًا طالما أنها واسعة ومتصلة بشكل ثلاثي الأبعاد. يتشابك الهواء والشعيرات الدموية لرئة الطيور بإحكام شديد في ترتيب “قرص العسل”.

اللوحة الرابعة. مقارنة الصور.
جون إن ماينا

توفر معرفة شكل وحجم هذه الوحدات معلومات حول كفاءة تبادل الغازات في رئة الطائر ، وهي عبارة عن نظام تدفق.

المزيد قادم

مع تطوير طرق أكثر فاعلية لتطبيق تقنية إعادة الإعمار ثلاثية الأبعاد ، سيصبح التصوير ثلاثي الأبعاد والرسوم المتحركة وسيلة حيوية للبحث في صندوق أدوات عالم الأحياء. سيكون من الممكن وضع تصور كامل لأشكال المكونات الهيكلية وبالتالي السماح بفهم أفضل لكيفية عملها.

ستسمح لنا الرؤى الحيوية في بيولوجيا الحيوانات ، بما في ذلك الطيور ، بصياغة تدابير أكثر فاعلية تضمن الحفاظ عليها في مواجهة تحديات الاحتباس الحراري والتلوث البيئي.


نشكركم على قراءة المنشور عبر مجلة المذنب نت, المتخصصة في التداول والعملات الرقمية والمشفرة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى