Sciam
Clique e assine Sciam
Artigos

Método de dissecação poderia revigorar a zoologia

Novas técnicas não invasivas para estudo anatômicos devem impulsionar pesquisas sobre animais 

Cortesia de Alexander Ziegler
Seção bidimensional de uma minhoca, criada a partir de um conjunto de dados 3D. A boca está localizada à direita. A anatomia interna segmentada da minhoca e os grãos de sedimento dentro do intestino ficam claramente visíveis. 

 
 

 

 

Por Adrian Giordani

No último verão boreal, pesquisadores demonstraram que um imageamento não invasivo combinado com uma técnica de marcação permite a rápida comparação e estudo de espécies de minhocas e outros animais com detalhes sem precedentes.

No primeiro estudo de morfologia comparada desse tipo, a equipe de pesquisa produziu imagens tridimensionais de fibras musculares individuais e hemácias isoladas em minhocas. A técnica permitiu que os pesquisadores comparassem os órgãos internos de minhocas recém coletadas com os de espécimes de museu com 60 anos de idade em seu contexto anatômico natural, gerando ricos dados em 2D e 3D.

 
Cortesia de Alexander Ziegler
Uma imagem 3D de uma minhoca feita a partir de um conjunto de dados de tomografia micro-computadorizada. Esse espécime foi virtualmente dissecado usando a ferramenta ‘wedge dissect’ do software open-source de visualização Drishti. 
 

 

 

“As maiores vantagens nesse cenário são a escala – mais animais podem ser analisados – e a velocidade – espécimes podem ser analisados mais rápido”, explica o Dr. Alexander Ziegler, professor-assistente do Instituto de Zoologia da Universidade de Bonn, na Alemanha, coautor do artigo. “Essa abordagem poderia ser estendida a outros animais de corpo mole, como moluscos ou sanguessugas. Os dados podem ser facilmente compartilhados com outros, incluindo o público interessado (ciência cidadã)".

Ziegler espera que as imagens, vídeos e modelos interativos de alta resolução obtidos com o novo método possam revigorar o campo da zoologia comparada. Estudos anatômicos geralmente dependem da dissecação convencional, explica ele, e a área já sofreu críticas em anos recentes por depender de observações com séculos de idade e práticas descritivas.

Em um esforço para mudar isso, Ziegler e seus colegas analisaram duas espécies de minhocas com tomografia micro-computadorizada (microCT), além de um método de marcação que usa soluções de iodo, chumbo ou tungstênio. Enquanto a microCT e a marcação já são usadas para obter imagens de diversos tecidos animais, apenas algumas técnicas surgiram para registrar imagens de tecidos moles de animais preservados e estruturas em espécimes de museu. A inovação da equipe de pesquisa foi combinar uma vastidão de técnicas já existentes e refiná-las para analisar imagens tridimensionais de espécimes de minhoca, em alta resolução, simultaneamente.

A marcação das estruturas internas permitiu que a anatomia das minhocas fosse escaneada em ricos detalhes. As imagens, vídeos e modelos tridimensionais interativos derivados das minhocas foram produzidos em uma escala de aproximadamente 10 micrômetros de resolução – ou 10 milionésimos de metro, o que é cerca de um décimo da espessura de um fio de cabelo humano. No estudo, um pesquisador podia girar a estrutura interna do fóssil de minhoca 3D em tempo real, permitindo uma melhor compreensão de sua complexa morfologia.
Cortesia de Alexander Ziegler
Composição de uma seção bidimensional de um ouriço do mar (cinza) e uma imagem 3D de órgãos internos selecionados (coloridos). Os órgãos modelados são as gônadas (em amarelo), o trato digestivo (azul) e os chamados órgãos de Stewart (vermelho). 
Em comparação com técnicas de dissecação convencionais usadas em zoologia ou paleontologia atualmente, o novo método deixa o espécime intacto e é relativamente rápido, requisitando de apenas uma ou duas horas para escaneá-lo. Isso evita a necessidade de dissecá-lo, porque um observador pode manipular um conjunto de dados tridimensionais em um computador, girando ou usando panning [efeito que dá a impressão de movimento em uma imagem] quando necessário. Além disso, dois ou mais conjuntos de dados podem ser observados em paralelo, permitindo uma comparação direta de morfologia e anatomia animal.

“Isso pode ser uma surpresa para colegas da área”, comenta Ziegler. Ele e seus colegas publicaram seu artigo no periódico PLOS ONE.

De acordo com Ziegler, novas tecnologias de imageamento tornam a ciência baseada em hipóteses mais fácil. Os métodos usados no estudo das minhocas poderia ser empregado para produzir imagens de alta-resolução de centenas de espécies em um intervalo muito mais curto que os permitidos por protocolos tradicionais. A escala de dados que poderiam ser gerados por todos os organismos seria da ordem de um zettabyte, equivalente a 250 bilhões de DVDs. Apenas o estudo de minhocas conduzido por Ziegler produziu 45 gigabytes em dados disponíveis gratuitamente em um repositório online de dados, parte do periódico de acesso e dados abertos GigaScience.

“A quantidade de dados possíveis é infinita”, observa Ziegler. “Se você expandir a abordagem de escaneamento para outras espécies vivas – existem milhões – estamos falando de exa- ou até zettabytes de dados”.

Melhor compreensão da intrincada interação entre estruturas internas ou o crescimento de um único espécime levariam a estudos mais amplos que poderiam ajudar a solucionar problemas complexos relacionados à biodiversidade, como a perda de habitat e impacto de longo prazo de espécies interagindo com seus ambientes. Além disso, dados brutos de imagens podem ser enviados para repositórios de dados, resultando em um aumento drástico na transparência para mais mineradores de dados. Futuras técnicas de robótica, processamento de dados e softwares de controle poderiam ser usadas para conduzir uma rápida triagem de espécimes para complementar o conhecimento existente.
No caso, minhocas foram escolhidas para o estudo de Ziegler devido à sua significância ecológica. Elas podem ser engenheiras ambientais que esculpem o solo, encorajam a hidratação, oxigenação e a degradação de matéria orgânica, que ajuda a alimentar a vida de plantas e insetos dentro da cadeia de alimentos do solo. Mas elas também são espécies invasivas em partes da América do Norte, ameaçando a diversidade da vida de plantas e animais ao romper a cadeia orgânica de material e reduzir nutrientes e vegetação.

“O mundo está mudando rapidamente. Nós precisamos compreender melhor as complexas interações entre organismos e seu ambiente; especialmente se quisermos conservar a biodiversidade”, declara a Dra. Elizabeth Shea, especialista em ecologia de cefalópodes e sistemática do Museu de História Natural de Delaware, que não se envolveu no estudo da PLOS ONE. “Existem tantas espécies e tão poucas pessoas trabalhando nisso que precisamos de novas abordagem para acelerar o trabalho”.

Shea aponta que, com poucos alunos escolhendo a zoologia comparada e com a falta de financiamento, futuras descobertas poderiam estar juntando poeira nas prateleiras de museus de todo o mundo. Mas a exploração científica não é o único ponto importante – isso também envolve a diversão enquanto se faz ciência. O acesso aberto a incríveis imagens, vídeos e modelos interativos em alta resolução poderia complementar o ensino para engajar alunos na sala de aula.

“Estranhamente, ainda que a exploração seja a essência principal da descoberta científica, existe grande relutância para financiar estudos morfológicos exploratórios”, explica Ziegler. “Esse é um grande contraste em relação ao financiamento massivo de estudos em genômica. Mas qual hipótese original você pode ter quando sequencia um genoma inteiro? Provavelmente nenhuma – primeiro queremos explorar os dados, e depois fazer perguntas. Eu ouso dizer que essa abordagem também se tornará uma prática comum na morfologia”.

Shea tem três ideias para continuar a aplicação da melhor prática que Ziegler e seus colegas demonstraram em seu artigo. A primeira é transformar a análise morfológica de sua posição atual, uma prática de coleta de dados, em uma prática de análise intensiva. A segunda é garantir que dados sobre espécimes em museus do mundo todo se tornem disponíveis para mais cientistas, de modo que dados possam ser mineirados para pesquisas de biodiversidade. “A Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos tornou isso uma prioridade em sua iniciativa de Advancing Digitalization of Biodiversity Collections [Digitalização Avançada de Coleções de Biodiversidade]”, conta Shea.

Em terceiro lugar vem a necessidade de encontrar maneiras automatizadas de peneirar imagens ou vídeos de alta definição dos espécimes escaneados para desenvolver softwares de reconhecimento de padrões e ajudar a identificar os espécimes com imagens registradas. Os softwares atuais não são capazes de executar tarefas complexas de reconhecimento de formas e padrões como um taxonomista faz, mas isso pode mudar nos próximos anos.

A contribuição de alunos entusiasmados, pesquisadores experientes e melhores softwares de reconhecimento de padrões já estão beneficiando estudos de sequenciamento de DNA em massa. Mais colaborações internacionais, ideias para estudos amplos – ou até abordagens big data – e cursos atualizados para alunos deverão impulsionar o interesse e acelerar a exploração na morfologia animal, biodiversidade e pesquisa zoológica.
Sobre o Autor: Adrian Giordani é um escritor frilance e editor, que abrange astronomia, big data, saúde, ciências da vida, computação científica, software e tecnologia. Ele tem um mestrado em Ciências da Comunicação, do Imperial College London, onde ele também era o Editor-in-Chief do I, da revista Science, foi editor-chefe interino no CERN, em Genebra, na Suíça, onde cobriu notícias sobre computação e ciência na Europa, os EUA e as regiões da Ásia-Pacífico. Siga no TwitterSpeakster.

As opiniões expressas são as do autor e não representam necessariamente a posição da Scientific American.

Publicado por Scientific American em 26 de janeiro de 2015