全息显微镜提供了对浮游生物生活的洞察

　　

   

   

溶液中浮游微生物的插图。浮游生物下面的圆环是光被浮游生物折射后形成的全息图。    

利用数码显微镜制作的全息图，并利用人工智能(AI)进行解释，研究人员现在第一次可以在个体层面上跟踪浮游生物的生活。该方法是哥德堡大学一项跨学科研究项目的成果。  

浮游生物是地球上最重要的生物之一。世界上一半以上的氧气是由海洋中的浮游植物产生的。然而，关于这些生命形式的知识是有限的，主要是由于它们的体积。

哥德堡大学的海洋生物学家Erik Selander说:“到目前为止，我必须在群体水平上研究浮游微生物，但多亏了这种基于人工智能的全息显微镜，我可以看到单个浮游微生物是如何移动、进食、生长和繁殖的。”

从个体层面研究浮游生物的唯一方法  

Erik Selander在2019年的一次会议上听到了物理学教授Giovanni Volpe关于新技术的演讲，在该技术中，光通过粒子折射产生的全息图可以代替粒子进行研究。使用人工智能，全息图可以以更快的速度分析，提供更多更精细的细节。随后，塞兰德和沃尔普开始了一项针对浮游生物的跨学科项目。

“对于我们每天看到的动物和鸟类等大型生物体，我们很清楚谁吃谁，以及它们去了哪里。我们开发的方法是唯一一种在个体水平上研究微观生物的方法，”Giovanni Volpe说。

人工智能使这种方法更快  

该方法使用LED光在全息显微镜中分析浮游微生物，这确保生物在过程中不受影响。这一发现发表在该杂志的一篇文章中eLife．

“我们研究的浮游微生物细胞只有百分之几毫米大小。但它们数量众多，影响着海洋的整个碳循环。总的来说，单细胞浮游生物吸收的碳大约是人类从化石燃料中排放的三倍。现在我们能够在个体层面上对这些过程有一个详细的了解，”Erik Selander说。

在全息显微镜的帮助下，利用数码相机记录光-物质相互作用的方法在过去已经得到了很好的研究。但由于数字技术和最近的人工智能革命，这种方法变得更有用，分析更容易、更快。

“通过将全息显微镜与人工智能相结合，现在我们可以在单个细胞水平上同时监测大量浮游微生物细胞的情况，这在以前是一个挑战。虽然这项技术是在海洋微生物上证明的，但它在方法上是相当普遍的，可以应用于任何微观生命形式。通过将细胞封闭在微型玻璃孔中，我们可以跟踪细胞的生长动态和游动行为，贯穿它们的生命周期，从数小时到数天，”哥德堡大学物理学博士生Harshith Bachimanchi说。

全息显微镜还提供了一种快速、廉价的方法来计数、称重和测定溶液中细胞或其他粒子的大小。

Microplankton life histories revealed by holographic microscopy and deep learning