Aiptasia larvae are phenotypically validated as a model of coral bleaching using high-throughput machine-learning image analysis

تعد الشعاب المرجانية من بين أكثر النظم البيئية حيوية وأهمية على وجه الأرض، فهي تدعم مجموعة هائلة من الحياة البحرية وتحمي السواحل من العواصف. ومع ذلك، فإن هذه المدن تحت الماء في طريقها للزوال. ويعد "الابيضاض" ظاهرة رئيسية مسببة لهذا الفقدان، وهو ما يحدث عندما تؤدي درجات حرارة المحيطات المرتفعة إلى كسر الشراكة الدقيقة بين الحيوانات المرجانية والطحالب المجهرية التي تعيش بداخلها. توفر هذه الطحالب الغذاء للمرجان من خلال عملية التمثيل الضوئي، ولكن عندما تصبح المياه ساخنة جداً، يطرد المرجان هذه الطحالب، فيتحول لونه إلى الأبيض ويتعرض للجوع. ولفهم كيفية إنقاذ هذه الشعاب، يحتاج العلماء إلى دراسة كيفية ولماذا تنهار هذه الشراكة بدقة. لسنوات طويلة، استخدم الباحثون شقائق نعمان بحرية صغيرة تسمى "Aiptasia" كبديل للمرجان. وبينما كانت شقائق النعمان البالغة مفيدة، إلا أنها كبيرة، ومعتمة، ويصعب دراستها بأعداد كبيرة دون إلحاق الضرر بها. وقد جعل هذا القصور من الصعب إجراء التجارب السريعة واسعة النطاق اللازمة لإيجاد الحلول.

لقد توجه فريق من الباحثين الآن إلى مرحلة مختلفة من حياة شقائق النعمان: اليرقة. هذه المخلوقات الصغيرة والشفافة لا يتجاوز عرضها عرض شعرة الإنسان، وهي صافية بما يكفي لرؤية ما بداخلها بوضوح. واكتشف الباحثون أن هذه اليرقات تتفاعل مع الإجهاد الحراري بنفس الطريقة التي تتفاعل بها المرجانيات البالغة، حيث تفقد طحالبها الداخلية وتصاب بـ "الابيضاض". ولإثبات ذلك، أخضع الباحثون الآلاف من اليرقات لمياه دافئة وراقبوها على مدار عدة أيام. ووجدوا أنه في غضون يومين من الإجهاد الحراري، انخفض عدد اليرقات السليمة بشكل كبير، وبحلول اليوم الرابع، فقد معظمها طحالبها. وقد أكد هذا أن هذه اليرقات الصغيرة والشفافة هي نموذج مثالي وسريع النمو لدراسة انهيار العلاقة بين المرجان والطحالب.

ومع ذلك، فإن عد وتحليل هذه المخلوقات الصغيرة يدوياً هو أمر بطيء وممل للغاية. إذ يمكن لصورة مجهرية واحدة أن تحتوي على العشرات من اليرقات في حالات صحية مختلفة، ويتطلب تحديد ما إذا كانت خلية الطحالب موجودة بأمان داخل أنسجة اليرقة أو أنها مجرد عائمة في معدتها النظر إلى الصورة في ثلاثة أبعاد. وقد استغرق القيام بذلك لمئات الصور من الباحثين أكثر من عشرين ساعة من التركيز المكثف. ولحل هذه العقبة، قاموا ببناء برنامج حاسوبي جديد يسمى "SYMPHONY". تستخدم هذه الأداة الذكاء الاصطناعي للنظر في صور المجهر، وتحديد كل يرقة على حدة، وتحديد حالتها الصحية في غض_ون دقائق. يعمل البرنامج عن طريق تسطيح الصور ثلاثية الأبعاد إلى تنسيق ثنائي الأبعاد يحافظ على معلومات العمق اللازمة لتمييز ما إذا كانت الطحالب في المكان الصحيح. ثم يستخدم نظاماً مدرباً مسبقاً، صُمم في الأصل لرصد الخلايا في الأنسجة البشرية، للعثور على اليرقات، ونظاماً ثانياً لتصنيفها كمرضى (مبيضضة) أو سليمة أو يصعب تحديد حالتها.

أظهرت النتائج أن البرنامج الحاسوبي يمكنه مطابقة عمل الخبراء البشريين بدقة عالية، حيث حدد الحالة الصحية الصحيحة لليرقات بنسبة 79 في المائة تقريباً. والأهم من ذلك، أكد البرنامج نفس الاتجاهات التي وجدها البشر: الإجهاد الحراري يسبب فقدان اليرقات لطحالبها، وكلما طالت مدة الحرارة، زادت شدة الفقدان. وبينما قام الكمبيوتر بتصنيف بعض الصور على أنها مربكة للغاية بحيث لا يمكن الحكم عليها آلياً، إلا أنه وفر على الباحثين أكثر من عشرين ساعة من العمل الشاق لهذه الدراسة الواحدة. ومن خلال الجمع بين نموذج حيواني صغير وشفاف وطريقة مؤتمتة ذكية للعد، خلق الباحثون أداة جديدة قوية. يتيح هذا النهج للعلماء اختبار آلاف اليرقات بسرعة، مما يفتح الباب أمام اكتشافات أسرع حول كيفية استجابة المرجان للحرارة وما قد يساعده على البقاء في ظل محيط يزداد دفئاً.