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

산호초는 지구상에서 가장 활기차고 중요한 생태계 중 하나로, 방대한 해양 생물을 부양하고 폭풍으로부터 해안선을 보호합니다. 하지만 이 수중 도시들은 사라지고 있습니다. 이러한 손실의 주요 원인은 백화 현상이라고 알려진 현상인데, 이는 상승하는 해수 온도가 산호 동물과 그 안에 살고 있는 미세 조류 사이의 섬세한 파트너십을 깨뜨릴 때 발생합니다. 이 조류는 광합성을 통해 산호에게 먹이를 제공하지만, 물이 너무 뜨거워지면 산호는 조류를 배출하여 하얗게 변하고 굶주리게 됩니다. 이 산호초를 구하는 방법을 이해하기 위해, 과학자들은 이 파트너십이 정확히 어떻게, 그리고 왜 붕괴하는지를 연구해야 합니다. 수년 동안 연구자들은 산호를 대신할 모델로 '아이프타시아(Aiptasia)'라고 불리는 작은 말미ों(sea anemone)을 사용해 왔습니다. 성체 말미롱은 유용하지만, 크기가 크고 불투명하며, 손상을 입히지 않고 대량으로 연구하기가 어렵습니다. 이러한 한계는 해결책을 찾기 위해 필요한 신속하고 대규모적인 실험을 수행하는 데 어려움을 주었습니다.

이제 한 연구팀은 말미롱의 다른 생애 단계인 유생(larva)에 주목했습니다. 이 작고 투명한 생물들은 폭이 사람의 머리카락 한 가닥 정도에 불과하며, 속이 들여다보일 정도로 투명합니다. 연구진은 이 유생들이 성체 산호와 매우 유사하게 열 스트레스에 반응하여 내부의 조류를 잃고 '백화'된다는 사실을 발견했습니다. 이를 증证明하기 위해, 연구진은 수천 마리의 유생을 따뜻한 물에 노출시킨 뒤 며칠 동안 관찰했습니다. 그 결과, 열 스트레스가 가해진 지 이틀 만에 건강한 유생의 수가 급격히 감소했으며, 나흘째에는 대부분이 조류를 잃었다는 것을 발견했습니다. 이는 작고 투명한 유생이 산호와 조류 관계의 붕괴를 연구하기 위한 완벽하고 빠르게 성장하는 모델임을 확인시켜 주었습니다.

하지만 이 작은 생물들을 일일이 손으로 세고 분석하는 것은 매우 느리고 지루한 작업입니다. 단 하나의 현미경 이미지 안에도 서로 다른 건강 상태를 가진 수십 마리의 유생이 들어 있을 수 있으며, 조류 세포가 유생의 조직 안에 안전하게 있는지 아니면 단순히 위 속에 떠 있는 것인지를 판단하려면 이미지를 3차원으로 살펴봐야 합니다. 수백 장의 이미지를 처리하는 데 연구자들은 20시간 이상의 고도의 집중력을 쏟아야 했습니다. 이 병목 현상을 해결하기 위해 그들은 '심포니(SYMPHONY)'라는 새로운 컴퓨터 프로그램을 개발했습니다. 이 도구는 인공지능을 사용하여 현미경 이미지를 살펴보고, 각 개별 유생을 식별하며, 몇 분 만에 건강 상태를 판별합니다. 이 프로그램은 3D 이미지를 깊이 정보를 보존하는 2D 형식으로 평면화하여, 조류가 적절한 위치에 있는지 구분하는 데 필요한 깊이 정보를 유지합니다. 그런 다음 원래 인간의 조직에서 세포를 찾아내도록 설계된 사전 학습된 시스템을 사용하여 유생을 찾고, 두 번째 시스템을 사용하여 이를 건강함, 백화됨, 또는 판별하기 어려움으로 분류합니다.

결과는 컴퓨터 프로그램이 전문가의 작업과 높은 정확도로 일치하며, 약 79%의 확률로 유생의 올바른 건강 상태를 식별할 수 있음을 보여주었습니다. 더 중요한 것은, 프로그램이 인간이 발견한 것과 동일한 경향을 확인했다는 점입니다. 즉, 열 스트레스는 유생이 조류를 잃게 만들며, 열이 지속되는 시간이 길어질수록 손실이 더욱 심각해진다는 것입니다. 컴퓨터가 일부 이미지를 자동으로 판단하기 너무 혼란스럽다고 표시하기도 했지만, 이 단 하나의 연구만으로도 연구자들의 노동 시간을 20시간 이상 절약해 주었습니다. 작은 투명 동물 모델과 스마트한 자동화 방식을 결这种하여, 연구진은 강력한 새로운 도구를 만들어냈습니다. 이 접근 방식은 과학자들이 수천 마리의 유생을 빠르게 테스트할 수 있게 하여, 산호가 열에 어떻게 반응하는지, 그리고 무엇이 그들의 생존을 도울 수 있는지에 대한 더 빠른 발견의 문을 열어줍니다.