Какие применяются инструменты в биологии

Прогресс науки биологии 21 века зависит от изучения того, как особь (генотип) порождает конкретные признаки (фенотипы), как эти отношения изменяются в зависимости от условий окружающей среды и как эти отношения эволюционировали. Инструменты в биологии должны помочь наблюдать эти организмы в их среде.

Исследователям нужны инструменты в биологии, позволяющие получать фенотипическую и эксплуатационную информацию, которая может быть сопоставлена с генотипической и экологической информацией на всех уровнях биологической организации.инструменты в биологии

Эта информация может быть получена с помощью инструментов в широком спектре природных и биологических условий, в которых живут и эволюционировали организмы, и в биологически значимых пространственных и временных масштабах.

Аппаратура наблюдения

На микроуровне биологи нуждаются в устройствах для непрерывной регистрации активности клеточных компонентов, поскольку они взаимодействуют естественно в живых клетках; на макроуровне им нужны устройства для непрерывной регистрации активности и производительности организмов и их компонентных систем, поскольку они взаимодействуют естественно в своей среде.инструменты в биологии

Это оборудование должно быть экономичным, миниатюрным и развертываемым в больших количествах для непрерывного сбора и передачи данных в различных средах, в малых и больших пространственных масштабах.
Автоматизированное программное обеспечение для сбора и распознавания изображений может позволить развернуть “умные” датчики, которые получают информацию от конкретных организмов, как микроскопических, так и макроскопических, и их среды в режиме реального времени.

Изотопный анализ

Стабильные изотопы уже используются в качестве “естественных сенсоров”, поскольку некоторые ферменты и биогеохимические процессы (включая температуру и осадки) оказывают характерное влияние на изотопные профили организмов. “Изоскейпы”, полученные на основе изотопного анализа в сочетании с географическими информационными системами, начинают выявлять относительную важность ключевых физических и биологических процессов в континентальных масштабах.

Но изотопный анализ биологических материалов является медленным и трудоемким, и для полного раскрытия его потенциала необходимы высокопроизводительные методы.

Технологии радиотелескопа

Передовые технологии радиотелескопа помогут в изучении расселения и миграции мелких животных, таких как летучие мыши, насекомые и певчие птицы.

Ожидается, что крупные инновации в технологиях радиотелеграфного слежения позволят по-новому взглянуть на природоохранную биологию, последствия изменения климата и распространение инфекций. Разнообразная окружающая среда Земли также нуждается в более интенсивном мониторинге, если ученые хотят соответствующим образом контекстуализировать новые знания о физиологических и поведенческих реакциях организма.

Мониторинг параметров окружающей среды

Исследователи требуют новой технологии для дешевого мониторинга и измерения многих параметров окружающей среды, включая рН, температуру, проводимость, силу ветра, скорость и направление потока воды, растворенный кислород и содержание минеральных питательных веществ, в биологически значимых масштабах в режиме реального времени.

Эта информация поможет ответить на фундаментальные вопросы биологии, связанные с генотип-фенотипическими связями; она также имеет решающее значение для понимания и прогнозирования антропогенного воздействия на природные ресурсы и последствий изменения климата.

Мини-масс-спектрометры

Многие формы сложных сенсорных приборов и технологий уже существуют, но они не полезны для обнаружения связей между генотипами, фенотипами и окружающей средой из-за проблем масштаба. Многие биологические процессы в окружающей среде намного меньше, чем может измерить современная технология. Миниатюризация приборов имеет решающее значение для нашего понимания основных жизненных процессов.инструменты в биологии

Отдельные инструменты в биологии уже начинают трансформировать анализы геномов, клеток и тканей в лаборатории. Эти устройства должны быть адаптированы для более широкого использования в различных условиях, в том числе в естественных условиях. Например, уже существуют “мини-масс-спектрометры”, которые могут быть размещены ниже уровня моря для изучения адаптации различных форм жизни к экстремальным условиям окружающей среды.

Дальнейшее развитие этих технологий для широкого спектра полевых применений может революционизировать мониторинг организмов, популяций, сообществ и экосистем в реальном времени.

Изображения

Биологи нуждаются в портативных персональных системах визуализации, которые могут быть использованы или развернуты в полевых условиях. Такие технологии визуализации позволят ученым детально исследовать организмы в природе, что имеет важное значение для достижения прорывов в таких областях, как устойчивое сельское хозяйство, лесное хозяйство и охрана природы. Эти устройства теперь возможны, благодаря достижениям в области визуализации в реальном времени.инструменты в биологии

Новые методы, такие как мультилинзовые камеры, которые позволяют осуществлять пост-специальную настройку фокуса и глубины резкости, а также трехмерную реконструкцию изображений. Эти инструменты в биологии позволяют получать изображения способами, качественно отличающимися от того, что можно сделать с помощью бытовых устройств.

В микроизображении дальнейшее развитие могло бы позволить непрерывно контролировать трехмерную структуру развивающегося организма или записывать точное местоположение и структуру каждого организма в среде, видимой в поле зрения.

В макроизображении более удобное дистанционное зондирование позволит биологам получить доступ к геопривязанным данным всех типов. Одним из широко используемых картографических инструментов являются Яндекс карты, Google Maps, которые продемонстрируют возможности использования технологий дистанционного зондирования для различных исследовательских целей. Технологии дистанционного зондирования могут быть улучшены в плане пространственного разрешения и качества изображений, а также за счет возможности интеграции различных типов наборов данных, включая биологическую, геологическую и топографическую информацию. Эти нововведения позволят повысить эффективность пространственного моделирования и алгоритмов прогнозирования местообитаний для более точного прогнозирования распространения инвазивных или патогенных видов и последствий изменений в землепользовании.

Усовершенствованное картографирование может также помочь ученым предсказать, когда и где может возникнуть новая болезнь, выявить места, где человеческие хозяева и некоторые виды животных-переносчиков находятся в непосредственной близости с высокой плотностью.

Рамановская спектроскопия

Рамановская спектроскопия как инструмент в биологии используется в лабораториях для детального химического анализа образцов древних костей, раковин и зубов.

Эти и другие технологии визуализации должны быть миниатюрными, простыми в использовании, портативными и экономически эффективными.

Такие инструменты в биологии  позволят ученым детально исследовать организмы в природе, что имеет важное значение для достижения прорывов в таких областях, как устойчивое сельское хозяйство, лесное хозяйство и охрана природы. Кроме того, можно было бы выборочно отбирать образцы представляющих интерес организмов и осуществлять в режиме реального времени неразрушающий мониторинг популяции, например измерение распространения инвазивных видов и видов вредителей, в том числе переносчиков болезней человека.

На основании этих знаний можно было бы открыть механизмы, которые стимулируют устойчивость систем и населения перед лицом природных и антропогенных нарушений или изменения климата.