Revoluce v poznání mravenců: 3D modely a AI odhalují skryté detaily 800 druhů

Trojrozměrné zobrazení pomáhá oživit rozmanitost mravenců a přináší nový pohled na jejich svět. Vědecký tým pod vedením Evana Economa z University of Maryland a Thomase van de Kampa z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) v Německu vyvinul průlomovou metodu, která kombinuje synchrotronový urychlovač částic, rentgenové skenování, robotiku a umělou inteligenci (AI) k vytvoření interaktivních digitálních snímků reprezentujících 800 různých druhů mravenců.

Laboratoř Evana Economa se již více než deset let věnuje skenování vzorků hmyzu pomocí mikro-CT přístrojů. Tyto rentgenové snímky pomáhají vědcům studovat formu a strukturu hmyzu, což je podobor entomologie známý jako morfologie. Proces byl však dosud nákladný a časově náročný. „Jedním z omezení je, že můžete získat bohatý 3D datový soubor, ale skenování jednoho vzorku může trvat 10 hodin,“ vysvětlil Economo.

Jako hlavní autor studie publikované v časopise Nature Methods Economo testoval vysoce technologický pracovní postup, který výrazně urychlil jejich úsilí. Tyto technologie umožnily týmu drasticky zkrátit dobu potřebnou ke skenování vzorků a transformaci surových obrazových souborů do 3D modelů s vysokým rozlišením. „Odhadujeme, že kdybychom tento projekt prováděli s laboratorním CT skenerem, trvalo by to šest let nepřetržitého provozu,“ uvedl Julian Katzke, první autor studie. „S nastavením v KIT jsme naskenovali 2 000 vzorků za jediný týden.“

Projekt, nazvaný Antscan, by mohl sloužit jako vzor pro budoucí digitalizační snahy – nejen pro mravence, ale pro širokou škálu druhů. Surové soubory pro konstrukci 3D modelů jsou volně ke stažení pro kohokoli a vestavěný prohlížeč každého mravence umožňuje snadný přístup k hotovým 3D snímkům. „Hodnota této studie se netýká pouze mravenců – je mnohem širší,“ řekl Economo. „Když jsou vzorky digitalizovány, můžeme vytvářet knihovny organismů, které mohou zefektivnit jejich využití od vědeckých laboratoří přes učebny až po hollywoodská studia.“

Pro vybudování takto rozsáhlé digitální knihovny výzkumný tým získal vzorky mravenců konzervovaných v ethanolu od partnerských institucí, muzejních sbírek a odborníků z celého světa. Po roztřídění vzorků podle druhu a kasty byly převezeny do KIT k vysokokapacitnímu rentgenovému mikro-CT skenování, které je srovnatelné s lékařskými CT skeny, ale s mnohem vyšším zvětšením. Synchrotronový urychlovač částic produkoval vysoce intenzivní rentgenový paprsek pro rychlé skenování obrovského množství vzorků a robotický měnič vzorků otáčel a vyměňoval vzorky každých 30 sekund. To umožnilo vytvoření 2D obrazových sad, které pak mohly být použity k sestavení 3D modelů.

Surové obrazové soubory sice byly užitečné, ale zobrazovaly vzorky mravenců v pokroucených pozicích – daleko od realistických modelů, které vědci doufali vytvořit. Jako navazující projekt na Antscan studenti z kurzu softwarového inženýrství pod vedením profesora Jamese Purtila z UMD Computer Science používají AI k automatizaci procesu „odhadu pozice“, což umožňuje transformovat nepohodlné pozice mravenců na přirozené, které by bylo možné vidět ve volné přírodě.

3D snímky Antscan odhalují vnitřní struktury, jako jsou svaly, nervové systémy, trávicí systémy a žihadla, s mikrometrovým rozlišením. Modely lze snadno animovat nebo začlenit do virtuálních realit pro výzkum, vzdělávání nebo zábavu. „Dělat to ručně by trvalo roky, takže bez těchto výpočetních nástrojů by to v podstatě nikdy nebylo hotové,“ řekl Economo. „Nyní děláme velké kroky k vytvoření živé knihovny interaktivních modelů odpovídajících biodiverzitě Země. AI nám umožní prozkoumat rozmanitost života a sdílet ji se světem.“

Databáze již začala prokazovat svou vědeckou hodnotu. Economo byl hlavním autorem studie publikované v časopise Science Advances, ve které vědci použili data Antscan k prozkoumání, zda by se mravenčí kolonie lépe dařilo s větším počtem slabších dělníků, nebo s menším počtem robustnějších dělníků. Tým zjistil silnou negativní korelaci mezi objemem kutikuly a velikostí kolonie, což naznačuje, že upřednostňování množství mravenců před kvalitou jejich brnění usnadňuje rozvoj větších a rozmanitějších mravenčích společností.

V tomto případě Antscan umožnil vědcům podrobněji prozkoumat objem kutikuly, který bylo před těmito modely obtížné měřit. Projekt Antscan také pokryl stejné druhy mravenců jako studie z června 2025 v časopise Cell, jejímž spoluautorem byl Economo a která vytvořila sadu vysoce kvalitních genomů mravenců. Kombinace těchto studií by mohla umožnit komplexnější výzkum vztahu mezi morfologickými daty a genomovou variací. Vzhledem k jejich vysoké věrnosti by skeny mohly být jednoho dne dokonce použity k trénování modelů strojového učení pro přesnou detekci mravenců v terénu pro observační studie jejich chování.

Do budoucna Economo plánuje skenovat další vzorky do systému a zároveň pokračovat ve spolupráci se studenty informatiky z UMD, aby tyto techniky AI aplikovali na nové datové sady. „Tato práce nás posouvá dále do éry velkých dat, pokud jde o zachycování, analýzu a sdílení tvaru a formy organismů,“ řekl Economo. „Potenciál pro integraci těchto dat s jinými typy dat a technologiemi je nesmírný a velmi vzrušující.“