границ | Количественная оценка вариации формы цветков в 3D с помощью микрокомпьютерной томографии: пример гибридной линии между актиноморфными и зигоморфными цветками

Введение

Цветки — важные органы для размножения покрытосеменных растений. Форма цветка может сильно различаться. Морфологические вариации венчика должны быть определены количественно, чтобы ответить на вопросы, касающиеся эволюционной дивергенции (Gómez et al., 2006; Feng et al., 2009), ассоциации генотип-фенотип (Cui et al., 2010; Hsu et al., 2015), взаимодействия растений с опылителями (Yoshioka et al., 2005; Galliot et al., 2006; Gómez et al., 2008; van der Niet et al., 2010) и селекционного отбора (Yoshioka et al., al., 2006; Kobayashi et al., 2007; Kawabata et al., 2009; Kanaya et al., 2010). Мы предложили подход к количественной оценке вариаций формы венчиков на трехмерных (3D) изображениях с помощью микрокомпьютерной томографии (μCT) и геометрической морфометрии (GM).

Анализ несоответствий формы цветков традиционно проводится с использованием классической морфометрии (Miller, Venable, 2003; Pérez et al., 2004; Кобаяши и др., 2007; Фернандес-Мазуэкос и др., 2013 г .; Wessinger et al., 2014). Классическая морфометрия использует многомерную статистику для измерения расстояний между анатомическими ориентирами (то есть характерными точками). Затем оцениваются различия в расстояниях между образцами. Форма математически определяется как геометрическая информация об объекте, за исключением его масштабирования, перемещения и вращения (Gower, 1975). Определение расстояний между ориентирами не восстанавливает исходное геометрическое соотношение и не отделяет информацию о форме от общего размера образцов.Таким образом, классический морфометрический подход считается менее пригодным для изучения вариаций формы цветков (Dalayap et al., 2011; Fernández-Mazuecos et al., 2013).

Геометрическая морфометрия (Lawing and Polly, 2010; Zelditch et al., 2012) все чаще используется для количественной оценки формы цветка из-за недавних достижений в цифровой фотографии (Dalayap et al., 2011; Savriama et al., 2012). GM — это набор алгоритмов, которые передают пространственную корреляцию по набору ориентиров, идентифицированных по фотографическим изображениям анализируемых объектов.Метод сохраняет геометрию конфигураций ориентиров. Таким образом, статистические результаты GM могут описывать фактическую форму или отклонения формы. В последние годы в многочисленных исследованиях применялись методы ГМ на основе кривых (Bo et al., 2014) для оценки вариаций формы отдельных лепестков (Yoshioka et al., 2005, 2007; Kawabata et al., 2009, 2011; Nii and Kawabata , 2011). В некоторых других исследованиях для изучения морфологической дивергенции венчиков использовались основанные на ориентирах методы GM (Adams et al., 2004; Klingenberg, 2010) (Shipunov et al., 2004; Гомес и др., 2006, 2008; Feng et al., 2009; Kaczorowski et al., 2012; Савриама и др., 2012; Сюй и др., 2015).

Фотографические изображения могут адекватно фиксировать конфигурацию объекта только в том случае, если форма изучаемых объектов может быть надлежащим образом представлена ​​в 2D-изображениях. Венчики, однако, имеют сложную геометрию. Значительная часть информации может быть потеряна при изображении венчиков на 2D-изображениях. Таким образом, применение GM к ориентирам, идентифицированным из 2D-изображений цветов, может привести к неоптимальным результатам для анализа вариаций формы (Kuhl and Giardina, 1982).Следовательно, необходимо получить аутентичные трехмерные изображения цветов, чтобы сохранить структурную информацию, заложенную в венчиках.

Последние достижения в области современных методов сканирования делают возможным и доступным восстановление трехмерных изображений объектов. Обычно объемные данные о тонких растительных материалах (например, цветах) получают с помощью компьютерной томографии или магнитно-резонансных сканеров изображений. Кроме того, высокое разрешение этих технологий обеспечивает подробную информацию, необходимую для точного количественного определения морфологических вариаций.В исследованиях использовались эти трехмерные методы для получения уравнения формы томата (Li et al., 2011), выполнения анатомии сосудов живых растений (McElrone et al., 2013) и визуализации структурных изменений, происходящих в листьях растений (Pajor et al. ., 2013). В частности, van der Niet et al. (2010) предположили, что сочетание трехмерного микрокомпьютерного томографического сканирования с геометрическими морфометрическими методами может быть мощной стратегией для точной количественной оценки изменений формы цветков. Руководствуясь их подходом, мы применили аналогичную процедуру для количественной оценки вариаций формы венчика на 3D-изображениях с помощью микроконтактной компьютерной томографии, GM и обработки изображений.Процедура была применена к цветкам популяции второго поколения (F ₂ ), полученной в результате скрещивания зигоморфного сорта и актиноморфного сорта глоксинии флориста ( Sinningia speciosa ; Hsu et al., 2015). Эти цветы F ₂ показали значительную степень вариации раскрытия цветков и симметрии венчика (рис. 1), что послужило отличным материалом для проведения количественной оценки вариаций формы цветков.

Рисунок 1.Вид сбоку: (A) трубчатый зигоморфный цветок и (B) воронкообразный актиноморфный цветок из гибридной линии S. speciosa .

Конкретные цели нашего исследования состояли в том, чтобы (1) разработать инструменты для идентификации участков цветка на изображениях с помощью μCT, (2) установить процедуры для облегчения выбора ориентира, (3) определить основные морфологические вариации цветов, (4) определить и количественно оценить физически измеренные признаки, такие как раскрытие цветка и асимметрия венчика, (5) наблюдают переход формы цветков между зигоморфными и актиноморфными цветками и (6) сравнивают результаты анализа формы цветков, полученные с использованием трехмерных изображений, с результатами, полученными с использованием двухмерных изображений.

Материалы и методы

Цветочные материалы

Образцы цветов были получены путем скрещивания двух сортов S. speciosa , «Carangola» и «Peridots Darth Vaders» (рис. 2). Эти родительские образцы были скрещены для получения растений F ₁ . Всего было получено 320 растений F ₂ путем самоопыления одного растения F ₁ . Все растения выращивались в теплице при естественном освещении, тени 20% и влажности 70–80% при температуре 22–28 ° C.Мы включили только цветы растений F ₂ с ровно 5 лепестковыми лепестками, потому что цветы с разным количеством лепестковых лепестков были несравнимы по форме (т.е. негомологичны; Adams et al., 2004) и поэтому должны быть исключены из сравнения.

Рисунок 2. Процесс скрещивания S. speciosa цветков . Родителями были зигоморфный сорт «Карангола» и актиноморфный сорт «Перидотс Дарт Вейдерс». Изображения цветов F ₂ были случайным образом выбраны из 57 растений, использованных в этом исследовании.

Получение изображения цветка

Трехмерные изображения цветов были получены с использованием сканера μCT (SkyScan 1076, Bruker, Kontich, Бельгия). Образцы полностью распустившихся (полное цветение) свежих цветов вырезали на цветоножке около дна пробирки и помещали в камеру сканера. Образцы прикреплялись к основанию в камере с помощью клейкой ленты для предотвращения перемещения образцов во время сканирования. Поперечный диаметр камеры составлял 68 мм, а длина одиночного сканирования составляла 20 мм в направлении движения сканера (т.е.е. направление, перпендикулярное поперечной плоскости; Рисунок 3А). Количество сканирований зависело от размеров цветов. Напряжение источника рентгеновского излучения, ток, время экспозиции и разрешение сканирования были установлены на 40 кВ, 250 мкА, 150 мс и 35 мкм соответственно. Разрешение сканирования было одинаковым по осям X, Y и Z. После завершения сканирования необработанные трехмерные изображения были реконструированы с помощью SkyScan NRecon (Bruker, Kontich, Бельгия). Мы получили 57 изображений цветов, каждое из которых принадлежит особи F ₂ .Сбор данных проводился с августа 2012 г. по сентябрь 2014 г. Размеры изображений варьировались от 5,0 до 9,3 ГБ.

Рис. 3. (A) Иллюстрация сканирования изображения μCT, (B) срезов изображения от сканирования и (C) одного среза необработанного изображения. Белый полукруг внизу среза изображения — основа для крепления цветка. Срез необработанного изображения содержал белые искры (шум) на заднем плане.

Сегментация цветочной области

Необработанные изображения включали образцы цветов и основу для закрепления образцов цветов.Были применены алгоритмы обработки изображений, чтобы отделить цветы от фона, уменьшить шум изображений и преобразовать изображения в соответствующий формат для последующего анализа. Эти алгоритмы были реализованы в программе графического пользовательского интерфейса, разработанной с использованием MATLAB (The Mathworks, Натик, Массачусетс, США; см. Дополнительную презентацию 1, Дополнительную таблицу 1 и Дополнительное видео 1), и выполнялись автоматически. Перед обработкой пространственное разрешение необработанных изображений было уменьшено на 50% до размера вокселя 70 мкм с каждой стороны.Это разрешение было выбрано для ускорения обработки, в то время как детали цветов все еще были доступны.

Для выполнения обработки оператор выбрал папку, содержащую необработанное изображение цветка. Необработанное изображение состояло из двухмерных срезов в градациях серого (например, изображения в поперечной плоскости; Рисунки 3B, C), собранных вдоль направления движения. Алгоритмы применялись к срезу за раз. Во-первых, основание, обычно самый большой объект, расположенный в фиксированной позиции в срезе, распознавалось и удалялось с помощью ряда операций.Затем контраст (т.е. значение гаммы) среза был соответствующим образом отрегулирован, чтобы охватить динамический диапазон градаций серого. Затем срез бинаризовали. Затем для обнаружения объектов в срезе использовалась маркировка связанных компонентов (Haralock and Shapiro, 1991). Объекты с размером пикселя меньше определенного порога (например, искры) считались шумом и удалялись. Полученный срез служил маской изображения. Впоследствии исходный срез в градациях серого был замаскирован (Gonzalez and Woods, 2006) с использованием маски изображения, чтобы сохранить интересующую область.Затем было принято морфологическое закрытие (Винсент, 1994), чтобы устранить пустые пиксели в лепестках цветов. Структурирующим элементом операции закрытия был диск радиусом 1 пиксель. Вышеупомянутые операции продолжались до тех пор, пока не были обработаны все срезы. Набор срезов, называемый объемным изображением (рис. 4A), затем был преобразован в изображение поверхности (рис. 4B). Изображение поверхности (Hansen and Johnson, 2005) состоит из тонких треугольных сеток, покрывающих поверхность цветка.Плотность сетки была отрегулирована для поддержания разумного разрешения изображения. Изображение поверхности сохранялось в формате полигонального файла (т.е. файла PLY) для последующего анализа.

Рис. 4. (A) объемное изображение, (B) изображение поверхности и (C) ориентиры цветка. Зеленые линии, жилки трубочки; красные линии, мочки средней жилки; синие линии, контуры мочки; желтые точки, ориентиры.

Опознавательный знак

Достопримечательности делятся на основные и второстепенные (Zelditch et al., 2012). В этом исследовании основные ориентиры были определены как анатомически узнаваемые точки венчика, включая пересечения соседних долей (ориентиры I и II на рисунке 5), проксимальные и дистальные точки срединных жилок лепестков (ориентиры III и V) и границы точки лепестков и трубок на средних жилках лепестков (ориентир IV). Вторичные ориентиры представляли собой точки, равномерно распределенные между двумя основными ориентирами по контурам лепестков или срединными жилками лепестков (полые точки на Рисунке 5).

Рисунок 5.Основные и второстепенные ориентиры на лепестке . Сплошные точки — основные ориентиры; полые точки, второстепенные ориентиры; красная область, отсек для трубки; желтая зона, мочковый отсек; пунктирная линия, средняя жилка лепестка.

Ориентиры были определены полуавтоматически. Идентификация проводилась по лепестку за раз. Процесс состоял из двух этапов — ручного выбора и автоматического определения. Ручной отбор производился с использованием программного обеспечения Landmark (Wiley et al., 2005). Сначала оператор вручную выбрал точки пересечения долей и проксимальную точку средней жилки (ориентиры I, II и III на рисунке 5).Затем определяли граничную точку лепестка и трубки на средней жилке (ориентир IV) как точку поверхности лепестка, которая связана с кратчайшим евклидовым расстоянием до средней точки между ориентирами I и II. Затем оператор вручную определил контур лепестка и середину лепестка. Для этого было выбрано примерно 70 и 80 точек соответственно по контуру лепестка и средней жилке лепестка. Точки были выбраны так, чтобы они были равномерно распределены по контуру лепестка и средней жилке лепестка.Затем эти точки были сохранены в последовательном порядке для последующего определения ориентира.

Дистальная точка средней жилки (ориентир V) и второстепенные ориентиры определялись автоматически. Автоматическое определение ориентира было выполнено с использованием программы, разработанной с использованием MATLAB (см. Дополнительную презентацию 2, Дополнительную таблицу 1 и Дополнительное видео 2). Программа считала выбранные точки и смоделировала контур лепестка и середину лепестка, используя кусочно-линейную интерполяцию между последовательными точками.Эквидистантная точка от ориентиров I и II в геодезическом пространстве (по контуру лепестка) определялась как дистальная точка средней жилки (ориентир V). Затем программа определила вторичные ориентиры как точки, равномерно распределенные по контуру лепестка и средней жилке лепестка. В этом исследовании 3, 2 и 7 вторичных ориентиров были идентифицированы соответственно на контуре полудолья (пунктирные линии, соединяющие I – V и II – V), средней части лепестка (пунктирная линия, соединяющая IV – V) и средняя жилка трубки (пунктирная линия, соединяющая III – IV).Эти числа были выбраны, чтобы адекватно проиллюстрировать форму цветка и уравновесить количество ориентиров на лепестке и трубке.

В результате для каждого цветка было собрано 95 ориентиров, включая 20 первичных и 75 вторичных (рис. 4C). Лепестки и трубки содержали 55 и 50 ориентиров, соответственно, с 10 общими ориентирами. S. speciosa и многие другие виды Lamiales изначально развивают цветки с ограниченными анатомическими точками, которые могут служить основными ориентирами.Предлагаемый подход к выбору вторичных ориентиров на трехмерных изображениях эффективно увеличивает количество гомологичных характеристических точек исследуемых цветов, тем самым улучшая общее качество и возможности описания и иллюстрации форм цветов.

Идентификация основного изменения формы

GM был нанесен на ориентиры для определения основных вариаций формы цветов. Процедура GM включает обобщенный анализ Прокруста (GPA; Gower, 1975; Rohlf and Slice, 1990) и анализ главных компонентов (PCA; Jolliffe, 2002).GPA был выполнен, чтобы удалить вариации, не относящиеся к форме (например, смещение, масштабирование и вращение). В анализе GPA был рассчитан средний геометрический центр всех цветов. Геометрический центр каждого цветка был перенесен в среднее значение. Затем были вычислены средние координаты ориентира всех цветов. К каждому цветку применялись операции масштабирования и вращения для минимизации суммы квадратов расстояний между ориентирами цветка и средними ориентирами. Процесс выполнялся итеративно до тех пор, пока не удавалось добиться дальнейшего уменьшения суммы квадратов расстояний.Полученные ориентиры из анализа GPA затем подвергались PCA. PCA идентифицировал вариации формы и соответствующие им основные компоненты (ПК). Компьютеры были отсортированы в порядке убывания процентной дисперсии цветов. Первые несколько ПК составляли большую часть дисперсии и могли представлять основные вариации формы среди цветов. Вариации формы цветков также можно было визуализировать, реконструировав цветы с помощью обратного PCA с измененными значениями PC.

Морфологические признаки: раскрытие цветка и асимметрия венчика

Анализ GM показал, что раскрытие цветка (то есть кривизна венчика) и дорсовентральная симметрия были ведущими вариациями формы. Два признака, раскрытие цветка и асимметрия венчика, были определены и непосредственно оценены на трехмерных изображениях цветов с использованием методов обработки изображений и компьютерной графики. Открытие цветка определяли как отношение диаметра круга, расширяющего лепестки, к диаметру круга отверстия трубки (рис. 6А).Круг, расширяющий лепестки, был определен как круг, который оптимально соответствовал 5-ти лепестковым дистальным точкам средней жилки (ориентир V на рисунке 5). Круг отверстия трубки был определен как круг, который оптимально соответствовал 5 пересечениям лепестков. Асимметрия венчика определялась как значение синуса угла асимметрии. Угол асимметрии (θ на рисунке 6B) был углом между длинной осью трубки венчика и вектором нормали к окружности отверстия трубки. Длинная ось трубки венчика была первой главной осью положения меток трубки, и она была получена с помощью PCA.Исходя из этих определений, на эти две черты не повлияли размер, перемещение или поворот трехмерных изображений цветов.

Рис. 6. (A) Окружности раскрытия трубки и расширения лепестков для расчета оценки раскрытия и угла асимметрии (B) . Зеленая стрелка — длинная ось венчика; синяя стрелка, нормальный вектор круга открытия трубки.

Результаты

Трехмерные изображения цветов и достопримечательности

Получены трехмерные изображения цветов.Были применены алгоритмы обработки изображений, чтобы отделить образец цветка от фона и уменьшить шум на изображениях. На рисунке 7 показаны объемные изображения цветка до и после шумоподавления. На рисунке 7 основание для крепления цветка было удалено в иллюстративных целях. Искры на заднем плане значительно уменьшились после шумоподавления. На рисунках 8A, B показано изображение цветка и соответствующее ему объемное изображение. Ориентиры были выбраны по предложенной методике.На рисунке 8C показаны ориентиры и их идентификационные номера.

Рис. 7. Объемные изображения цветка (A) до и (B) после шумоподавления . Изображение до шумоподавления содержало значительное количество искр (шума) на заднем плане.

Рис. 8. (A) изображение цветка, (B) соответствующее изображение μCT и (C) ориентиров (синие точки с пронумерованными метками) на изображении цветка.

Идентификация и визуализация вариаций формы цветов

ПК, описывающих первичные вариации формы цветков.Первые три балла ПК, ПК1, ПК2 и ПК3, составили 38,8, 16,3 и 5,6% от общей вариации формы. Каждая из оставшихся оценок ПК составляла менее 4% от общей вариации формы. Поскольку первые три ПК аккумулировали более 60% общей вариации формы, мы представили результаты только первых трех ПК. ПК были некоррелированными и нормально распределенными (см. Дополнительный лист данных 1).

Рисунок 9 иллюстрирует степень вариаций формы цветков, вызванных изменениями в ПК.В процессе визуализации были рассчитаны среднее значение и стандартное отклонение (STD) ПК. Реконструированные ориентиры были рассчитаны с использованием обратного PCA с изменением конкретного значения PC, в то время как другие значения PC поддерживались на уровне средних значений. Управляемые значения ПК были установлены на уровне среднего или среднего ± 2 STD. Затем по полученным ориентирам были реконструированы формы цветов. Цветы были проиллюстрированы в 3D, чтобы показать степень трансформации формы. На рисунке 9 средняя форма цветка обозначена серым цветом, а реконструированные цветы с управляемыми ПК показаны бежевым цветом.Красные стрелки на ориентирах показывают направление и степень преобразования от средней формы к другой. Основная трансформация наблюдалась на дистальных долях (ПК1 и ПК2), границе между долей и трубкой (ПК2), границе между трубкой и чашелистником (ПК2) и камере трубки (ПК3). На рисунке 10 показаны цветы спереди (или лицо) и сбоку.

Рис. 9. Иллюстрация вариаций формы цветка, вызванных изменениями в ПК. . Серый, средней формы цветок; бежевые, реконструированные цветы с манипуляторами ПК; красные стрелки, направление и степень преобразования от средней формы к другой.

Рис. 10. (A) вид спереди и (B) вид сбоку вариаций формы цветка. Зеленые линии, жилки трубочки; красные линии, мочки средней жилки; синие линии, контуры мочки; желтые точки, ориентиры.

Было исследовано изменение формы, связанное с каждым ПК. Мы заметили, что PC1 в первую очередь соответствует изгибу венчика и раскрытию цветка. Рисунки 9, 10 показывают, что кривизна лепестка в пограничной области между лепестком и трубкой резко меняется для цветов с разными значениями PC1.Лепестки цветка с высоким значением PC1 в значительной степени изогнуты наружу (кривые, соединяющие L1 – T8 и L25 – T16 на рисунке 10B). Эта большая кривизна дала широкое отверстие в цветке. Ориентиры на контурах лепестков (от L1 до L33 на рисунке 10A) расходятся от центра. Напротив, цветок с низким значением PC1 был связан с умеренной степенью раскрытия (Рисунок 10B). На изображениях переднего вида лепестки цветка с узким отверстием (среднее значение — 2 STD) демонстрировали высокую степень перекрытия по сравнению с лепестками цветка с широким отверстием (среднее значение + 2 STD), в котором лепестки были отчетливо разделены.

Мы наблюдали, что PC2 в основном соответствует степени дорсовентральной симметрии венчика. Цветок с низким значением PC2 был актиноморфным. Расстояния от каждой стороны основания лепестка (линии, соединяющие T1 – T4 и T9 – T12 на рисунке 10B) до центра трубки были сбалансированы. Напротив, цветок с высоким значением PC2 был зигоморфным. Конец трубки (линии, соединяющие T1 – T4 и T9 – T12) асимметрично изогнут вверх, что приводит к разнице в длине трубки между дорсальными и вентральными лепестками.Кроме того, PC2 соответствовал степени перекрытия между вентральной и латеральной долями на виде спереди (рис. 10А). По сравнению с актиноморфным цветком, зигоморфный цветок развил вентральную лопасть, изогнутую вниз с большей степенью (рис. 10В). Из-за вышеупомянутых изменений цветы с различными значениями PC2 отображали различные виды спереди (рис. 10A) для опылителей.

Мы заметили, что PC3 особенно соответствовал размеру камеры трубки. Цветок с высоким значением PC3 был связан с камерой, более расширенной вокруг ориентира T5 (Рисунок 10B).Кроме того, цветок с небольшим значением PC3 был связан с широко открытыми боковыми лепестками (L9 и L33 на рисунке 10A).

Изменчивость морфологических признаков

На рис. 11 показано распределение раскрытия цветков и асимметрии венчика. Среднее и стандартное значение раскрытия цветков составило 1,74 и 0,12 соответственно. Среднее значение и стандартное отклонение асимметрии венчика составили 0,28 и 0,07 (соответствующие углы асимметрии составили 16,19 ° и 4,19 °) соответственно. На рисунках 11A, C показаны изображения цветов с крайними значениями раскрытия цветков (1.43 и 1.98). На рисунках 11Г, Е представлены изображения цветов с крайними значениями асимметрии венчика (0,14 и 0,44).

Рисунок 11. (A) Цветок, связанный с наименьшим значением раскрытия, (B) Гистограмма раскрытия цветка, (C) Цветок , связанный с наибольшим значением раскрытия, (D) цветок , связанный с наименьшим значение асимметрии венчика, гистограмма (E), асимметрии венчика и цветок (F) , связанный с наибольшим значением асимметрии венчика.

Эти две черты могут быть унимодально и непрерывно распределены (рис. 11). Гипотеза о нормальном распределении раскрытия цветков и асимметрии венчика не могла быть отклонена тестом Колмогорова-Смирнова ( P = 0,45 и 0,49). Эти наблюдения свидетельствуют о существовании полигенной основы этих признаков. Кроме того, коэффициент корреляции между двумя признаками составлял 0,195, что указывает на то, что развитие этих признаков, вероятно, было независимым.

Сравнение анализов вариации формы, выполненных с использованием 2D- и 3D-изображений

Эффективность предлагаемого подхода сравнивалась с производительностью традиционного метода, который определяет вариации формы цветков с помощью 2D-изображений (Hsu et al., 2015). 2D-изображения были получены путем проецирования 3D-изображений цветов на 2D-плоскости. В проекции угол обзора цветка был установлен в соответствии с окружностью его отверстия трубки (рис. 6А) и дорсовентральной плоскостью для получения изображений цветка спереди и сбоку (рис. 12). Этот процесс проецирования имитировал получение двухмерных изображений цветов с помощью камеры. Впоследствии ориентиры были идентифицированы на изображениях в соответствии с процедурой, изложенной в предыдущем исследовании (Hsu et al., 2015). Все ориентиры на виде спереди были расположены на контурах долей, тогда как все ориентиры на виде сбоку были расположены на контурах трубки (рис. 12). Это ограничение было связано с проблемой точного определения ориентиров на трубках при виде спереди и на лепестках при виде сбоку. Таким образом, для каждого образца было собрано 30 ориентиров спереди и 15 ориентиров сбоку (Рисунок 12).

Рис. 12. 2D (A) вид спереди и (B) вид сбоку цветка . Красные точки, выделенные ориентиры по контурам.

Для количественной оценки вариации формы цветков было проведено два анализа GM с использованием ориентиров спереди и сбоку, соответственно. Эта процедура следовала типичному подходу, используемому для 2D-изображений (Kawabata et al., 2009; Hsu et al., 2015). Первые два ПК, полученные по ориентирам переднего вида, обозначенные как F-PC1 и F-PC2, составили 19,0 и 14,5% от общего изменения формы. Первые два ПК, полученные по ориентирам вида сбоку, обозначенные как S-PC1 и S-PC2, составляли 44 человека.0 и 16,2% от общей вариации формы. На рисунке 13 показано изменение формы цветков, вызванное изменениями в первых двух ПК. Мы заметили, что F-PC1 и F-PC2 в первую очередь соответствуют расширению вентральной доли и степени перекрытия между долями. Более того, S-PC1 и S-PC2 в основном соответствовали дорсовентральной асимметрии и открытию камеры трубки. Характеристика раскрытия цветка (т. Е. Кривизна венчика), показанная в 3D-GM-анализе, не наблюдалась в 2D-GM-анализе.

Рис. 13. (A) вид спереди и вид сбоку (B) разновидности цветочной формы, количественно оцененные с использованием 2D-изображений. Иллюстрации вид спереди и вид сбоку описывают только изменения формы контура лепестка и трубки соответственно.

Обсуждение

Преимущества анализа трехмерной формы цветов

Трехмерный анализ исследовал дополнительные аспекты вариации формы венчика, которые не наблюдались с использованием традиционных двухмерных методов.Предлагаемый нами подход позволяет определить кривизну венчика (т. Е. Раскрытие цветка). Анализ 3D GM показал, что кривизна венчика соответствует большей части общей вариации формы (т. Е. PC1). Однако это не было выявлено с помощью анализа 2D GM (рис. 13). Было продемонстрировано, что кривизна венчика действует как механический проводник для нектара, который облегчает непосредственное обращение с цветками при взаимодействии растений и опылителей (Campos et al., 2014). Кривизна венчика, возможно, является важным признаком развития и эволюции формы цветка.

Трехмерные изображения позволяют количественно определять характеристики цветов. Форма цветка сложна, и основные вариации формы часто представлены качественно (например, результаты GM-анализа). Используя трехмерные изображения, можно определить и измерить характеристики цветов, соответствующие основным вариациям формы, с высокой точностью. В этом исследовании были количественно определены такие характеристики венчика, как круг, открывающий трубку, круг, расширяющий лепестки, и длинная ось. Впоследствии были получены баллы по раскрытию цветков и асимметрии венчика.Эти характеристики цветов измеряются физически и могут количественно отображать формы цветов. Кроме того, эти черты являются ключевыми параметрами, которые иллюстрируют переход между зигоморфными и актиноморфными цветками. Напротив, эти характеристики цветов может быть трудно оценить или количественно оценить с высоким уровнем неопределенности при использовании 2D-изображений. Эти черты могут быть использованы в будущих исследованиях, посвященных таким темам, как ассоциация генотип-фенотип или взаимодействия растений-опылителей.

Графика, использующая трехмерную информацию, является более мощным инструментом, иллюстрирующим формы цветов. В трехмерных координатах венчики можно было наблюдать более подробно с разных углов обзора (например, средние жилки). Кроме того, лепесток и трубка венчика могут быть показаны вместе на трехмерном изображении (рис. 9, 10), тогда как двухмерное изображение может демонстрировать только лепесток или трубку венчика отдельно (рис. 13). Частичная информация, полученная на 2D-изображениях, может привести к неправильной интерпретации вариаций формы цветков.Например, двухмерная графическая иллюстрация (рис. 13А) может привести к ложной интерпретации вариации формы, соответствующей F-PC1, как степени перекрытия для вентральной доли, тогда как такая же вариация формы явно наблюдалась как дорсовентральная асимметрия на трехмерном изображении. графическая иллюстрация (рисунки 9, 10).

Причины использования трехмерного анализа по сравнению с двухмерным анализом

Трехмерные изображения по своей сути содержат больше анатомических деталей (например, жилки). Ориентиры должны располагаться на гомологичных локусах у всех образцов и обычно идентифицируются на основе этих анатомических деталей.Напротив, большая часть геометрических деталей недоступна в 2D-изображениях. Таким образом, с помощью 2D-изображений можно количественно оценить меньшее количество вариаций формы. Кроме того, на контурах долей или трубок обозначены определенные двумерные ориентиры (рис. 12). Эти контуры являются проекциями на 2D-плоскости и зависят от угла обзора камеры. Таким образом, при съемке цветов в контуры могут быть внесены неточности. Впоследствии эти неопределенности распространяются на координаты ориентира. Кроме того, трехмерное изображение цветка включает в себя ориентиры лепестков и трубок одного и того же цветка.Ориентиры лепестков и трубок одновременно подвергаются ГМ-анализу; следовательно, связь между двумя отсеками может быть сохранена. Однако двухмерное изображение содержит только ориентиры лепестков или трубок (рис. 13). Проведение анализа формы с использованием только одного из наборов данных по отдельности приводит к потере связи между двумя отсеками, поэтому не удается сохранить внутреннюю информацию о форме.

Биологические последствия вариаций формы цветов

Наш 3D GM-анализ позволил идентифицировать раскрытие цветка и асимметрию венчика (обозначенную углом асимметрии) как две основные характеристики вариаций формы лепестков при переходе между актиноморфными и зигоморфными цветками.Широкое раскрытие цветов и двусторонняя симметрия у зигоморфных особей F ₂ могут привлекать опылителей и допускать попадание только тех, которые входят в цветы в определенном направлении, тем самым способствуя отложению пыльцы на этих посетителях. Узкое раскрытие цветка и радиальная симметрия у актиноморфных особей F ₂ указывает на то, что цветы не могут ограничивать проникновение опылителей с любого направления. Цветущие растения с двусторонней симметрией продемонстрировали значительную способность облегчить взаимодействие растений и опылителей или совместную эволюцию (Citerne et al., 2010). Мы также продемонстрировали, что повышенная степень раскрытия цветка, по-видимому, связана с асимметрией венчика, и вместе они определяют зигоморфную структуру цветка.

Заключительные замечания

В настоящем исследовании предложены подходы для облегчения количественной оценки вариаций формы цветков в 3D с использованием μCT, обработки изображений и GM. Программное обеспечение было разработано для уменьшения шума на 3D-изображениях и автоматического отделения цветов от фона. Другое программное обеспечение было разработано для помощи в полуавтоматическом определении ориентиров.Эти инструменты ускоряют обработку сложных 3D-изображений и позволяют выбрать 95 ориентиров на цветке. Процедуры были применены к популяции F ₂ , скрещенной от двух сортов S. speciosa с цветками в актиноморфной и зигоморфной формах. Трехмерные изображения, полученные с помощью μCT, позволили определить вариации формы цветков в целом и точно измерить морфологические признаки (70 мкм / воксель). Предложенный подход 3D-μCT-GM выявил вариации формы, которые нельзя было идентифицировать с помощью типичных 2D-подходов, и точно количественно оценил характеристики цветов, которые представляли проблему на 2D-изображениях.Этот подход имеет потенциал для применения в будущих исследованиях ассоциаций генотип-фенотип или эволюционной дивергенции.

Авторские взносы

Цветочный материал был подготовлен HH и CNW. Эксперименты были задуманы и разработаны YK. Эксперименты проводились TL и CCW. Данные обрабатывались, анализировались и интерпретировались TL, CCW, HH и YK. Рукопись подготовлена ​​CCW, HH, CNW и YK.

Финансирование

Это исследование было поддержано Национальным научным советом (Министерство науки и технологий) Тайваня, грант NSC-101-2313-B-002-050-MY3 для YK и NSC-95-2311-B-002-014-MY3. в CNW.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Национальный центр лабораторных животных (NLAC) за техническую поддержку, предоставленную в эксперименте μCT. Мы благодарим г-на Чун-Минг Чена из Ботанического центра сохранения и защиты окружающей среды доктора Сесилии Ку за предоставление F1 S.speciosa растений. Кроме того, мы благодарим доктора Дер-Минг Йе из Тайваньского национального университета за предоставление тепличного пространства.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fpls.2015.00724

Список литературы

Адамс, Д. К., Рольф, Ф. Дж., И Слайс, Д. Е. (2004). Геометрическая морфометрия: десять лет прогресса после «революции». Ital. J. Zool. 71, 5–16.DOI: 10.1080 / 112500004045

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bo, W., Wang, Z., Xu, F., Fu, G., Sui, Y., Wu, W., et al. (2014). Отображение формы: генетическое картирование встречается с геометрической морфометрией. Краткое. Биоинформат. 15, 571–581. DOI: 10.1093 / bib / bbt008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кампос, Э., Брэдшоу, Х., Дэниел, Т. (2014). Наборы данных, подтверждающие бумагу: форма имеет значение: кривизна венчика улучшает обнаружение нектара в ястребинке Manduca Sexta. Сиэтл, Вашингтон.

Google Scholar

Ситерн, Х., Джаббур, Ф., Надот, С., и Дамерваль, К. (2010). Эволюция цветочной симметрии. Adv. Бот. Res. 54, 85–137. DOI: 10.1016 / s0065-2296 (10) 54003-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цуй, М. Л., Копси, Л., Грин, А. А., Эндрю Бэнгхэм, Дж., И Коэн, Э. (2010). Количественный контроль формы органов по комбинаторной активности генов. PLoS Biol. 8: e1000538. DOI: 10,1371 / журнал.pbio.1000538

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Далаяп Р. М., Торрес М. А. Дж. И Демайо К. Г. (2011). Методы ориентиров и контуров в описании формы лепестков, чашелистиков и лепестков цветка разновидностей орхидей Мокара. Внутр. J. Agric. Биол. 13, 652–658.

Google Scholar

Фенг, X., Уилсон, Ю., Бауэрс, Дж., Кеннауэй, Р., Бангхэм, А., Ханна, А., и др. (2009). Эволюция аллометрии Antirrhinum. Растительная клетка 21, 2999–3007.DOI: 10.1105 / tpc.109.069054

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фернандес-Мазуэкос, М., Бланко-Пастор, Х. Л., Гомес, Х. М., и Варгас, П. (2013). Морфология венчика влияет на темпы диверсификации двустворчатого льна-жабы (Linaria sect. Versicolores). Ann. Бот. 112: mct214. DOI: 10.1093 / aob / mct214

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст

Гомес, Дж. М., Бош, Дж., Перфектти, Ф., Фернандес, Дж. Д., Абдельазиз, М., и Камачо, Дж.П. (2008). Пространственные вариации в выборе формы венчика у универсального растения стимулируются моделями предпочтений местных опылителей. Proc. R. Soc.B Biol. Sci. 275, 2241–2249. DOI: 10.1098 / rspb.2008.0512

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гомес, Дж. М., Перфектти, Ф., и Камачо, Дж. П. М. (2006). Естественный отбор по форме цветка Erysimum mediohispanicum: понимание эволюции зигоморфии. г. Nat. 168, 531–545.DOI: 10.1086 / 507048

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гонсалес Р. К. и Вудс Р. Э. (2006). Цифровая обработка изображений, 3-е изд. . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc.

Хансен, К. Д., Джонсон, К. Р. (2005). Справочник по визуализации. Бостон, Массачусетс: Academic Press.

Google Scholar

Харалок Р. М. и Шапиро Л. Г. (1991). Компьютерное зрение и зрение роботов. Бостон, Массачусетс: Addison-Wesley Longman Publishing Co., Inc.

Google Scholar

Hsu, H.-C., Chen, C.-Y., Lee, T.-K., Weng, L.-K., Yeh, D.-M., Lin, T.-T., et al. (2015). Количественный анализ симметрии цветков и расширения трубок у кросса F2 Sinningia Speciosa. Sci. Hortic. 188, 71–77. DOI: 10.1016 / j.scienta.2015.03.019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джоллифф И. (2002). Анализ главных компонентов, 2-е изд. . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер.

Качоровский, Р.Л., Селигер, А. Р., Гаскетт, А. К., Вигстен, С. К., и Рагузо, Р. А. (2012). Форма венчика и размер в выборе цветка ночным опылителем бражником. Функц. Ecol. 26, 577–587. DOI: 10.1111 / j.1365-2435.2012.01982.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каная Т., Ватанабэ Х., Кокубун Х., Мацубара К., Хашимото Г., Марчези Э. и др. (2010). Текущее состояние коммерческих сортов Calibrachoa по морфологии и другим признакам. Sci.Hortic. 123, 488–495. DOI: 10.1016 / j.scienta.2009.10.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кавабата, С., Нии, К., и Йоку, М. (2011). Трехмерное формирование формы венчика в связи с искажением развития лепестков у Eustoma grandiflorum. Sci. Hortic. 132, 66–70. DOI: 10.1016 / j.scienta.2011.09.034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кавабата, С., Йоку, М., и Нии, К. (2009). Количественный анализ формы венчика и контура лепестков у одноцветковых сортов лизиантуса. Sci. Hortic. 121, 206–212. DOI: 10.1016 / j.scienta.2009.01.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кобаяси К., Хорисаки А., Нийкура С. и Осава Р. (2007). Диаллельный анализ морфологии цветков редиса (Raphanus sativus L.). Euphytica 158, 153–165. DOI: 10.1007 / s10681-007-9439-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kuhl, F. P., и Giardina, C. R. (1982). Эллиптические фурье-особенности замкнутого контура. Comput. Графический процесс изображения. 18, 236–258.

Google Scholar

Лоуинг, А. М., и Полли, П. Д. (2010). Геометрическая морфометрия: недавние приложения к изучению эволюции и развития. J. Zool. 280, 1–7. DOI: 10.1111 / j.1469-7998.2009.00620.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, X., Пан, З., Упадхьяя, С. К., Атунгулу, Г. Г., и Делвиче, М. (2011). Трехмерное геометрическое моделирование обработки томатов. Transac. ASABE 54, 2287–2296. DOI: 10.13031 / 2013.40642

CrossRef Полный текст | Google Scholar

МакЭлрон, А. Дж., Чоут, Б., Паркинсон, Д. Ю., МакДауэлл, А. А., и Бродерсен, К. Р. (2013). Использование компьютерной томографии высокого разрешения для визуализации трехмерной структуры и функции сосудистой сети растений. J. Vis. Exp. 74: e50162. DOI: 10.3791 / 50162

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Миллер, Дж.С., Венейбл Д. Л. (2003). Цветочная морфометрия и эволюция полового диморфизма Lycium (Solanaceae). Evolution 57, 74–86. DOI: 10.1111 / j.0014-3820.2003.tb00217.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нии К. и Кавабата С. (2011). Оценка связи между трехмерной формой венчика и двумерной формой лепестков с использованием дескрипторов Фурье и анализа главных компонентов у эустомы крупноцветковой. J. Jpn Soc. Horticult. Sci. 80, 200–205. DOI: 10.2503 / jjshs1.80.200

CrossRef Полный текст

Пайор Р., Флеминг А., Осборн К. П., Рольф С. А., Старрок К. Дж. И Муни С. Дж. (2013). Видение пространства: визуализация и количественная оценка структуры листьев растений с помощью рентгеновской микрокомпьютерной томографии View Point. J. Exp. Бот. 64, 385–390. DOI: 10.1093 / jxb / ers392

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Перес, Р., Варгас, П., и Арройо, Дж. (2004). Конвергентная эволюция полиморфизма цветков у нарциссов (Amaryllidaceae). N. Phytol. 161, 235–252. DOI: 10.1046 / j.1469-8137.2003.00955.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рольф Ф. Дж. И Слайс Д. (1990). Расширения метода Прокруста для оптимального наложения ориентиров. Syst. Биол. 39, 40–59. DOI: 10.2307 / 29

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Савриама, Ю., Гомес, Дж. М., Перфектти, Ф., Клингенберг, К. П. (2012). Геометрическая морфометрия формы венчика: рассекающие компоненты симметричной и асимметричной изменчивости Erysimum mediohispanicum (Brassicaceae). N. Phytol. 196, 945–954. DOI: 10.1111 / j.1469-8137.2012.04312.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шипунов А. Б., Фэй М. Ф., Пиллон Ю., Бейтман Р. М. и Чейз М. В. (2004). Dactylorhiza (Orchidaceae) в Европейской России: комбинированный молекулярно-морфологический анализ. г. J. Bot. 91, 1419–1426. DOI: 10.3732 / ajb.91.9.1419

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

ван дер Ньет, Т., Цолликофер, К. П., Леон, М. С., Джонсон, С. Д., и Линдер, Х. П. (2010). Трехмерная геометрическая морфометрия для изучения изменчивости формы цветков. Trends Plant Sci. 15, 423–426. DOI: 10.1016 / j.tplants.2010.05.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Винсент, Л. (1994).«Открытие и закрытие морфологических областей для полутоновых изображений» в Shape in Picture , (Berlin; Heidelberg: Springer), 197–208.

Google Scholar

Wessinger, C.A., Hileman, L.C., и Rausher, M.D. (2014). Определение локусов основных количественных признаков, лежащих в основе дивергенции синдрома цветочного опыления у Penstemon. Philos. Сделка. R. Soc. B Biol. Sci. 369, 20130349. DOI: 10.1098 / rstb.2013.0349

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уайли, Д.Ф., Амента, Н., Алькантара, Д. А., Гош, Д., Кил, Ю. Дж., Делсон, Э. и др. (2005). «Эволюционный морфинг», в Visualization, 2005. VIS 05. IEEE , ed L. de Floriani (Миннеаполис, Миннесота: IEEE), 431–438.

Google Scholar

Йошиока, Ю., Ивата, Х., Хасе, Н., Мацуура, С., Осава, Р., и Ниномия, С. (2006). Генетическая комбинационная способность формы лепестков у садовых анютиных глазок (Viola × wittrockiana Gams) на основе анализа изображений. Euphytica 151, 311–319. DOI: 10.1007 / s10681-006-9151-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Йошиока, Ю., Ивата, Х., Осава, Р., и Ниномия, С. (2005). Количественная оценка изменчивости формы лепестков Primula sieboldii в результате процесса размножения за последние 300 лет. Наследственность 94, 657–663. DOI: 10.1038 / sj.hdy.6800678

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Йошиока, Ю., Охаши, К., Конума, А., Ивата, Х., Осава, Р., и Ниномия, С. (2007).Способность шмелей различать различия в форме искусственных цветков Primula sieboldii (Primulaceae). Ann. Бот. 99, 1175–1182. DOI: 10.1093 / aob / mcm059

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zelditch, M. L., Swiderski, D. L., and Sheets, H. D. (2012). Геометрическая морфометрия для биологов: учебник. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Academic Press.

Google Scholar

Форма и объем

Форма — это область в двухмерном пространстве, определяемая краями.Формы по определению всегда плоские по своей природе и могут быть геометрическими (например, круг, квадрат или пирамида) или органическими (например, лист или стул). Формы могут быть созданы путем размещения двух разных текстур или групп фигур рядом друг с другом, тем самым создавая замкнутую область, такую ​​как рисунок объекта, плавающего в воде.

«Положительное пространство» относится к пространству определенной формы или фигуры. Обычно позитивное пространство является предметом художественного произведения. «Негативное пространство» относится к пространству, которое существует вокруг и между одной или несколькими формами.Положительное и отрицательное пространство может стать трудно отличить друг от друга в более абстрактных работах.

«Плоскость» означает любую площадь поверхности в пространстве. В двумерном искусстве «плоскость изображения» — это плоская поверхность, на которой создается изображение, например бумага, холст или дерево. Трехмерные фигуры могут быть изображены на плоской картинной плоскости с использованием художественных элементов, чтобы передать глубину и объем, как это видно на картине Яна Брейгеля Старшего « Маленький букет цветов в керамической вазе ».

Ян Брейгель Старший,

Трехмерные фигуры могут быть изображены на плоской картинной плоскости за счет использования художественных элементов, подразумевающих глубину и объем.

«Форма» — это понятие, связанное с формой. Комбинируя две или более фигур, можно создать трехмерную фигуру. Форма всегда считается трехмерной, поскольку она демонстрирует объем — или высоту, ширину и глубину.Искусство использует как реальный, так и подразумеваемый объем.

В то время как трехмерные формы, такие как скульптура, по своей сути обладают объемом, объем также можно имитировать или предполагать в двухмерном произведении, таком как живопись. Форма, объем и пространство — действительные или подразумеваемые — являются основой восприятия реальности.

Зеленый путь к объемному анализу

Д. Сингх, В. С. Сингх

Таблица 1. Схема титрования.

Изменение цвета в точке эквивалентности Диапазон pH индикатора

NaOH h3SO4 Фенолфталеин от бесцветного до светло-розового 5-9

HCl Фенолфталеин от бесцветного до светло-розового

(ULFE) водн. От розового до светло-зеленого

NaOH C2h3O4.2h3O Фенолфталеин От бесцветного до светло-розового 7-10

Ch4COOH Фенолфталеин от бесцветного до светло-розового

(ULFE) водн. От розового до светло-зеленого

(ULFE) al От розового до светло-зеленого

h3SO4 Nh5OH от 5 до 3 от оранжевого до желтого

HCl Nh5OH Метиловый оранжевый От оранжевого до желтого

(ULFE) водн. От светло-зеленого до розового

(ULFE) al от светло-зеленого до розового

, небольшой избыток сильного основания может повысить pH до 11 и более.Таким образом, фенолфталеин также является подходящим индикатором

для этих титрований. Тщательное сравнение кривых, показанных на Рисунке 2, показывает, что

(ULFE) водн. Воды снова является предпочтительным естественным индикатором по сравнению с (ULFE) al. Таким образом, для титрования сильного основания против

слабых кислот (ULFE) водный раствор должен быть хорошей заменой фенолфталеина.

На рис. 3 показаны точки эквивалентности, полученные при титровании слабого основания, Nh5OH, против сильных кислот h3SO4 и HCl.

На этот раз фенолфталеин будет совершенно бесполезен, так как он не изменит цвет ни в одной острой точке.Изменение цвета

в диапазоне бесполезно, если оно не наблюдается при определенном резком объеме титранта. В этом случае сильные кислоты

h3SO4 и HCl использовались, в свою очередь, в качестве титранта, а метиловый оранжевый — в качестве индикатора для проверки достоверности индикаторов ULFE

. Сам по себе метиловый оранжевый, будучи слабым основанием, работает лучше, когда присутствует в слабом основании [3]. PH слабого основания

находится примерно в диапазоне 10 и снижается до 8-6 непосредственно перед точкой эквивалентности.Любое дополнительное добавление сильной кислоты снижает pH до 4 — 3. Это диапазон pH, в котором метиловый оранжевый будет работать лучше

, чем фенолфталеин. В конце титрования метиловый оранжевый становится оранжевым из желтого. Цвет ULFE

меняет цвет со светло-зеленого на розовый. Интересно видеть (рис. 3), что в этом случае и (ULFE) водный, и (ULFE) al

показывают результаты, очень близкие к результатам, полученным с метиловым оранжевым. Таким образом, любой из индикаторных препаратов, водный или

спиртовой, может заменить метиловый оранжевый при титровании сильных кислот против слабого основания.

Наконец, достоверность индикаторов ULFE была проверена для титрования слабых кислот (C2O4h3 ∙ 2h3O & Ch4COOH)

против слабого основания, Nh5OH. В этом случае конечные значения pH находятся в диапазоне 4-5 и 8-10, а точка эквивалентности

может находиться в диапазоне 6,5-7,5. Некоторые индикаторы использовались ранее работниками [4] — [6] при титровании

слабая кислота / слабое основание. Однако мы экспериментально обнаружили, что ни один индикатор не может дать неизменно правильное значение

точки эквивалентности.(ULFE) водный и (ULFE) al успешно изменяют цвет в этих титрованиях, но без какой-либо четкой точки эквивалентности

. Поэтому валидность как химических, так и природных показателей в данном случае сомнительна.

Предполагается, что присутствие флавоноидных пигментов, известных как антоцианы, отвечает за придание цвету

растворам ULFE. Антоцианы растворимы в воде, чувствительны к pH, насыщенного цвета [7] [8]. Изменение цвета

предлагается из-за образования катиона флавилия [9], и образование этого катиона, очевидно, будет на

более предпочтительным в водном экстракте, чем в спиртовом.Водный экстракт цветов может работать лучше, чем спиртовой

, поскольку pH спирта не такой нейтральный, как у дистиллированной воды.

4. Заключение

Настоящие исследования показали, что водный экстракт цветков Urena lobata является универсальным природным индикатором для кислотного /

щелочного титрования. Это хороший заменитель фенолфталеина для тераций сильное основание / сильная кислота, сильное основание / слабая кислота. Это также хороший заменитель метилового оранжевого при титровании слабым основанием / сильной кислотой.Антоцианы

, присутствующие в цветках Urena lobata, по-видимому, ответственны за изменение цвета, чувствительное к pH. Индикатор ULFE,

, при попадании в воду не загрязняет ее и поддается биологическому разложению. Кроме того, краситель ULFE разлагается аэробно и

Визуальных элементов | Безграничная история искусства

Строка

Линия определяется как отметка, которая соединяет пространство между двумя точками, принимая любую форму по пути.

Цели обучения

Сравните и сопоставьте различные варианты использования линии в искусстве

Основные выводы

Ключевые моменты

• Фактические линии — это линии, которые физически присутствуют и существуют как сплошные соединения между одной или несколькими точками.
• Подразумеваемая линия относится к пути, по которому глаз зрителя следует за формами, цветами и формами на любом заданном пути.
• S traight или classic линии обеспечивают стабильность и структуру композиции и могут быть вертикальными, горизонтальными или диагональными на рабочей поверхности.
• Выразительные линии относятся к изогнутым линиям, которые усиливают ощущение динамизма произведения искусства.
• Контур или Контур линии создают границу или путь вокруг края фигуры, тем самым очерчивая и определяя ее.«Поперечные контурные линии» очерчивают различия в деталях поверхности.
• Линии штриховки представляют собой серию коротких линий, повторяющихся с интервалами, обычно в одном направлении, и используются для добавления затенения и текстуры к поверхностям, в то время как линии штриховки обеспечивают дополнительную текстуру и тон поверхности изображения и могут ориентироваться в любом направлении.

Ключевые термины

• текстура : ощущение или форма поверхности или вещества; гладкость, шероховатость, мягкость и т. д.чего-либо.
• штриховка : метод отображения штриховки с помощью нескольких пересекающихся мелких линий.
• строка : путь через две или более точек.

Линия — важный элемент искусства, определяемый как знак, соединяющий пространство между двумя точками, принимая любую форму по пути. Линии чаще всего используются для определения формы в двумерных произведениях и могут быть названы древнейшими, а также наиболее универсальными формами нанесения знаков.

Существует много разных типов линий, каждая из которых характеризуется длиной больше ширины, а также путями, по которым они идут. В зависимости от того, как они используются, линии помогают определить движение, направление и энергию произведения искусства. Качество линии относится к персонажу, который представлен линией для разной степени анимации поверхности.

Фактические линии — это линии, которые физически присутствуют, существующие как сплошные соединения между одной или несколькими точками, тогда как подразумеваемые линии относятся к траектории, по которой глаз зрителя следует форме, цвету и форме в произведении искусства. Подразумеваемые линии придают произведениям искусства ощущение движения и удерживают зрителя в композиции. В «Клятве Гораций » Жака-Луи Давида можно увидеть многочисленные подразумеваемые линии, соединяющие фигуры и действия пьесы, ведя взгляд зрителя через разворачивающуюся драму.

Жак-Луи Давид, Клятва Горациев , 1784 : Многие подразумеваемые линии соединяют фигуры и действие пьесы, ведя взгляд зрителя через разворачивающуюся драму.

Прямые или классические линии добавляют стабильности и структурированности композиции и могут быть вертикальными, горизонтальными или диагональными на поверхности работы. Выразительные линии относятся к изогнутым линиям, которые усиливают ощущение динамизма произведения искусства. Эти типы линий часто следуют неопределенному пути извилистых кривых. Контур , или , контур линии создают границу или путь вокруг края фигуры, тем самым очерчивая и определяя ее. Поперечные контурные линии очерчивают различия в деталях поверхности и могут создавать иллюзию трехмерности или ощущение формы или тени.

Линии штриховки представляют собой серию коротких линий, повторяющихся с интервалами, обычно в одном направлении, и используются для добавления теней и текстуры к поверхностям. Линии штриховки обеспечивают дополнительную текстуру и тон поверхности изображения и могут быть ориентированы в любом направлении. Слои штриховки могут добавить поверхности изображения богатую текстуру и объем.

Свет и ценность

Ценность относится к использованию светлого и темного в искусстве.

Цели обучения

Объяснить художественное использование света и тьмы (также известное как «ценность»)

Основные выводы

Ключевые моменты

• При рисовании изменение значений достигается путем добавления к цвету черного или белого цвета.
• Значение в искусстве также иногда называют «оттенком» для светлых оттенков и «оттенком» для темных оттенков.
• Значения в более светлом конце спектра называются «высокими», а значения в более темном — «сдержанными».”
• В двумерных произведениях искусства использование ценности может помочь придать форме иллюзию массы или объема.
• Кьяроскуро было распространенной техникой в ​​живописи в стиле барокко и относится к четким тональным контрастам, примером которых являются очень яркие белые цвета, расположенные непосредственно на очень сдержанных темных тонах.

Ключевые термины

• светотень : художественная техника, популярная в эпоху Возрождения, относящаяся к использованию преувеличенных световых контрастов для создания иллюзии объема.

Использование светлого и темного в искусстве называется ценностью. Значение можно разделить на оттенок (светлые оттенки) и оттенок (темные оттенки). В живописи, в которой используется субтрактивный цвет, изменения значений достигаются путем добавления к цвету черного или белого цвета. Художники также могут использовать штриховку, которая относится к более тонким манипуляциям со стоимостью. Шкала значений используется для отображения стандартных вариаций тонов. Значения около светлого конца спектра называются высокими, а значения в более темном — сдержанными.

Шкала значений : Шкала значений представляет различные степени освещения, используемые в произведениях искусства.

В двумерных произведениях искусства использование ценности может помочь придать форме иллюзию массы или объема. Это также придаст всей композиции ощущение освещения. Высокий контраст относится к размещению более светлых областей непосредственно против более темных, чтобы их различие было продемонстрировано, создавая драматический эффект. Высокий контраст также означает наличие большего количества черного, чем белого или серого.Низкоконтрастные изображения получаются в результате совмещения средних значений, поэтому между ними не так много видимой разницы, что создает более тонкое настроение.

В живописи в стиле барокко техника светотени использовалась для создания очень драматических эффектов в искусстве. Chiaroscuro, что в переводе с итальянского буквально означает «светлый-темный», относится к четким тональным контрастам, примером которых являются очень высокие оттенки белого, помещенные непосредственно на фоне очень сдержанных темных оттенков. Сцены при свечах были обычным явлением в живописи барокко, поскольку они эффективно создавали этот драматический эффект.Караваджо использовал высококонтрастную палитру в таких работах, как The Denial of St.Peter , чтобы создать свою выразительную сцену светотени.

Караваджо, Отрицание Св. Петра , 1610 : Караваджо Отречение от Св. Петра — отличный пример того, как можно манипулировать светом в произведениях искусства.

Цвет

В изобразительном искусстве теория цвета представляет собой совокупность практических рекомендаций по смешиванию цветов и визуальному влиянию определенных цветовых комбинаций.

Цели обучения

Выражение наиболее важных элементов теории цвета и использования цвета художниками

Основные выводы

Ключевые моменты

• Теория цвета впервые появилась в 17 веке, когда Исаак Ньютон обнаружил, что белый свет может проходить через призму и делиться на полный спектр цветов.
• Спектр цветов, содержащихся в белом свете: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.
• Теория цвета делит цвет на «основные цвета»: красный, желтый и синий, которые нельзя смешивать с другими пигментами, и «вторичные цвета» — зеленый, оранжевый и фиолетовый, которые возникают в результате различных комбинаций основных цветов. .
• Первичные и вторичные цвета комбинируются в различных смесях для создания третичных цветов.
• Дополнительные цвета находятся напротив друг друга на цветовом круге и представляют собой самый сильный контраст для этих двух цветов.

Ключевые термины

• дополнительный цвет : Цвет, который рассматривается как противоположный другому цвету на цветовом круге (т.е. красный и зеленый, желтый и фиолетовый, оранжевый и синий).
• значение : Относительная темнота или яркость цвета в определенной области картины или другого визуального искусства.
• основной цвет : любой из трех цветов, который при добавлении или вычитании из других в различных количествах может генерировать все остальные цвета.
• оттенок : цвет, рассматриваемый по отношению к другим очень похожим цветам. Красный и синий — это разные цвета, но два оттенка алого — это разные оттенки.
• градация : переход небольшими градациями от одного тона или оттенка, как и цвета, к другому.
• оттенок : цвет или оттенок цвета.

Цвет — это фундаментальный художественный элемент, связанный с использованием оттенка в искусстве и дизайне. Это самый сложный из элементов из-за большого количества присущих ему комбинаций. Теория цвета впервые появилась в 17 веке, когда Исаак Ньютон обнаружил, что белый свет может проходить через призму и делиться на полный спектр цветов. Спектр цветов, содержащихся в белом свете, следующий: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.

Теория цвета подразделяет цвет на «основные цвета»: красный, желтый и синий, которые нельзя смешивать с другими пигментами; и «вторичные цвета» зеленого, оранжевого и фиолетового, которые являются результатом различных комбинаций основных цветов.Первичные и вторичные цвета комбинируются в различных смесях для создания «третичных цветов». Теория цвета основана на цветовом круге, диаграмме, которая показывает взаимосвязь различных цветов друг с другом.

Цветовой круг : Цветовой круг — это диаграмма, которая показывает взаимосвязь различных цветов друг с другом.

«Значение» цвета относится к относительной яркости или темноте цвета. Кроме того, «оттенок» и «оттенок» являются важными аспектами теории цвета и являются результатом более светлых и более темных вариаций значений, соответственно.«Тон» относится к градации или тонким изменениям цвета в более светлой или более темной шкале. «Насыщенность» относится к интенсивности цвета.

Аддитивный и вычитающий цвет

Добавочный цвет — это цвет, создаваемый смешиванием красного, зеленого и синего света. Например, в телевизионных экранах используется аддитивный цвет, поскольку они состоят из основных цветов: красного, синего и зеленого (RGB). Субтрактивный цвет или «триадный цвет» работает как противоположность аддитивного цвета, и основные цвета становятся голубым, пурпурным, желтым и черным (CMYK).Общие применения субтрактивного цвета можно найти в печати и фотографии.

Дополнительный цвет

Дополнительные цвета можно найти прямо напротив друг друга на цветовом круге (фиолетовый и желтый, зеленый и красный, оранжевый и синий). При размещении рядом друг с другом эти пары создают самый сильный контраст для этих двух цветов.

Теплый и холодный цвет

Различие между теплыми и холодными цветами было важно, по крайней мере, с конца 18 века.Контраст, который прослеживается этимологиями в Оксфордском словаре английского языка, кажется связанным с наблюдаемым контрастом в ландшафтном освещении между «теплыми» цветами, связанными с дневным светом или закатом, и «холодными» цветами, связанными с серым или пасмурным днем. Теплые цвета — это оттенки от красного до желтого, включая коричневые и коричневые. С другой стороны, холодные цвета — это оттенки от сине-зеленого до сине-фиолетового, включая большинство оттенков серого. Теория цвета описала перцептивные и психологические эффекты этого контраста.Говорят, что теплые цвета развиваются или кажутся более активными в картине, в то время как холодные цвета имеют тенденцию отступать. Говорят, что теплые цвета, используемые в дизайне интерьера или моде, возбуждают или стимулируют зрителя, а холодные цвета успокаивают и расслабляют.

Текстура

Текстура — это тактильное качество поверхности арт-объекта.

Цели обучения

Признать использование текстуры в искусстве

Основные выводы

Ключевые моменты

• Визуальная текстура — это подразумеваемое ощущение текстуры, которое художник создает с помощью различных художественных элементов, таких как линия, штриховка и цвет.
• Фактическая текстура относится к физическому рендерингу или реальным качествам поверхности, которые мы можем заметить, прикоснувшись к объекту.
• Видимые мазки и разное количество краски создают физическую текстуру, которая может добавить выразительности картине и привлечь внимание к определенным областям в ней.
• Произведение искусства может содержать множество визуальных текстур, но при этом оставаться гладким на ощупь.

Ключевые термины

• тактильный : Материальный; восприимчивы к осязанию.

Текстура

Текстура в искусстве стимулирует зрение и осязание и относится к тактильным качествам поверхности произведения искусства. Он основан на воспринимаемой текстуре холста или поверхности, включая нанесение краски. В контексте художественного произведения есть два типа текстуры: визуальная и актуальная. Визуальная текстура относится к подразумеваемому ощущению текстуры, которую художник создает с помощью различных художественных элементов, таких как линия, штриховка и цвет.Фактическая текстура относится к физическому рендерингу или реальным качествам поверхности, которые мы можем заметить, прикоснувшись к объекту, например, нанесение краски или трехмерное искусство.

Произведение искусства может содержать множество визуальных текстур, но при этом оставаться гладким на ощупь. Возьмем, к примеру, работы реалистов или иллюзионистов, которые основаны на интенсивном использовании краски и лака, но при этом сохраняют совершенно гладкую поверхность. На картине Яна Ван Эйка «Дева канцлера Ролена» мы можем заметить много фактуры, особенно в одежде и мантии, в то время как поверхность работы остается очень гладкой.

Ян ван Эйк, Богородица канцлера Ролина , 1435 : Дева канцлера Ролина имеет много текстур на одежде и мантии, но фактическая поверхность работы очень гладкая.

Картины также часто используют настоящую текстуру, которую мы можем наблюдать при физическом нанесении краски. Видимые мазки и разное количество краски создадут текстуру, которая добавит выразительности картине и привлечет внимание к определенным областям в ней.Художник Винсент Ван Гог, как известно, использовал много фактурной текстуры в своих картинах, что заметно по густому нанесению краски на таких картинах, как Звездная ночь .

Винсент Ван Гог, Звездная ночь , 1889 : Звездная ночь содержит много фактической текстуры благодаря толстому нанесению краски.

Форма и объем

Форма относится к области в двумерном пространстве, определяемой краями; объем трехмерен, имеет высоту, ширину и глубину.

Цели обучения

Определите форму и объем и определите, как они представлены в ст.

Основные выводы

Ключевые моменты

• «Положительное пространство» относится к пространству определенной формы или фигуры.
• «Негативное пространство» относится к пространству, которое существует вокруг и между одной или несколькими формами.
• «Плоскость» в искусстве относится к любой площади поверхности в пространстве.
• «Форма» — это понятие, связанное с формой и может быть создано путем объединения двух или более форм, в результате чего получается трехмерная форма.
• Art использует как фактический, так и подразумеваемый объем.
• Форма, объем и пространство, действительные или подразумеваемые, являются основой восприятия реальности.

Ключевые термины

• форма : Форма или видимая структура художественного выражения.
• объем : Единица трехмерной меры пространства, которая включает длину, ширину и высоту.
• плоскость : Плоская поверхность, бесконечно продолжающаяся во всех направлениях (например,g., горизонтальная или вертикальная плоскость).

Форма относится к области в двумерном пространстве, определяемой краями. Формы по определению всегда плоские по своей природе и могут быть геометрическими (например, круг, квадрат или пирамида) или органическими (например, лист или стул). Формы могут быть созданы путем размещения двух разных текстур или групп фигур рядом друг с другом, тем самым создавая замкнутую область, такую ​​как рисунок объекта, плавающего в воде.

«Положительное пространство» относится к пространству определенной формы или фигуры.Обычно позитивное пространство является предметом художественного произведения. «Негативное пространство» относится к пространству, которое существует вокруг и между одной или несколькими формами. Положительное и отрицательное пространство может стать трудно отличить друг от друга в более абстрактных работах.

«Плоскость» относится к любой площади поверхности в пространстве. В двумерном искусстве «плоскость изображения» — это плоская поверхность, на которой создается изображение, например бумага, холст или дерево. Трехмерные фигуры могут быть изображены на плоской картинной плоскости с использованием художественных элементов, чтобы передать глубину и объем, как это видно на картине Яна Брейгеля Старшего « Маленький букет цветов в керамической вазе ».

Ян Брейгель Старший, Маленький букет цветов в керамической вазе, 1599 : Трехмерные фигуры могут быть изображены на плоской картинной плоскости с использованием художественных элементов, чтобы придать глубину и объем.

«Форма» — это понятие, связанное с формой. Комбинируя две или более фигур, можно создать трехмерную фигуру. Форма всегда считается трехмерной, поскольку она демонстрирует объем — или высоту, ширину и глубину. Искусство использует как реальный, так и подразумеваемый объем.

В то время как трехмерные формы, такие как скульптура, по своей сути обладают объемом, объем также может быть смоделирован или имплицирован в двухмерном произведении, таком как живопись. Форма, объем и пространство — действительные или подразумеваемые — являются основой восприятия реальности.

Время и движение

Движение, принцип искусства, это инструмент, который художники используют для организации художественных элементов в произведении; он используется как в статической, так и в временной среде.

Цели обучения

Назовите некоторые техники и средства, используемые художниками для передачи движения в статических и временных формах искусства.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Такие техники, как масштаб и пропорции, используются для создания ощущения движения или течения времени в статике визуального произведения.
• Размещение повторяющегося элемента в другой области внутри произведения искусства — еще один способ обозначить движение и течение времени.
• Визуальные эксперименты со временем и движением впервые были произведены в середине 19 века, а фотограф Эдвард Мейбридж известен своими последовательными снимками.
• Основанные на времени среды кино, видео, кинетической скульптуры и перформанса используют время и движение по самому их определению.

Ключевые термины

• кадр в секунду : сколько раз устройство формирования изображения создает уникальные последовательные изображения (кадры) за одну секунду.Аббревиатура: FPS.
• статический : зафиксирован на месте; без движения.

Движение или движение считается одним из «принципов искусства»; то есть один из инструментов, используемых художниками для организации художественных элементов в произведении искусства. Движение используется как в статике, так и в среде, основанной на времени, и может показывать прямое действие или намеченный путь, по которому глаз зритель может проследить через фрагмент.

Такие техники, как масштаб и пропорции, используются для создания ощущения движения или течения времени в статичных визуальных произведениях.Например, на плоской картинной плоскости изображение, которое меньше и светлее, чем его окружение, будет казаться фоном. Еще одна техника для обозначения движения и / или времени — это размещение повторяющегося элемента в разных частях произведения искусства.

Визуальные эксперименты со временем и движением были впервые проведены в середине 19 века. Фотограф Идверд Мейбридж известен своими последовательными снимками людей и животных, идущих, бегающих и прыгающих, которые он демонстрировал вместе, чтобы проиллюстрировать движение своих объектов.Картина Марселя Дюшана «« Обнаженная спускающаяся по лестнице », № 2 » демонстрирует абсолютное ощущение движения от левого верхнего угла к правому нижнему углу произведения.

Марсель Дюшан, Обнаженная, спускающаяся по лестнице, № 2 , 1912 : Эта работа представляет концепцию Дюшана о движении и времени.

В то время как статические формы искусства обладают способностью подразумевать или предлагать время и движение, основанные на времени среды кино, видео, кинетической скульптуры и перформанса демонстрируют время и движение по самым своим определениям.Пленка — это множество статичных изображений, которые быстро проходят через объектив. Видео — это, по сути, тот же процесс, но в цифровом виде и с меньшим количеством кадров в секунду. Искусство перформанса происходит в реальном времени с использованием реальных людей и объектов, как в театре. Кинетическое искусство — это искусство, которое движется или зависит от движения для своего воздействия. Все эти медиумы используют время и движение как ключевые аспекты форм выражения.

Случайность, импровизация и спонтанность

Дадаизм, сюрреализм и движение Fluxus полагались на элементы случая, импровизации и спонтанности как инструменты для создания произведений искусства.

Цели обучения

Опишите, как дадаизм, сюрреализм и движение Fluxus опирались на случай, импровизацию и спонтанность

Основные выводы

Ключевые моменты

• Дадаисты известны своим «автоматическим письмом» или записью потока сознания, которое подчеркивает творческие способности бессознательного.
• Работы сюрреалистов, как и работы дадаистов, часто содержат элемент неожиданности, неожиданного сопоставления и проникновения в подсознание.
• Сюрреалисты известны тем, что изобрели рисунок «изысканного трупа».
• Движение Fluxus было известно своими «событиями», которые представляли собой перформансы или ситуации, которые могли происходить где угодно, в любой форме и в значительной степени полагались на случай, импровизацию и участие аудитории.

Ключевые термины

• событие : Спонтанное или импровизированное событие, особенно с участием аудитории.
• сборка : Коллекция вещей, собранных вместе..

Случайность, импровизация и спонтанность — это элементы, которые можно использовать для создания искусства, или они могут быть самой целью самого произведения. Любая среда может использовать эти элементы в любой точке художественного процесса.

Марсель Дюшан, Писсуар , 1917 г. : Писсуар Марселя Дюшана является примером «готового», то есть предметов, которые были куплены или найдены, а затем объявлены искусством.

Дадаизм

Дадаизм был художественным движением, популярным в Европе в начале 20 века.Его начали художники и поэты из Цюриха, Швейцария, с сильными антивоенными и левыми настроениями. Движение отвергало логику и разум и вместо этого ценило иррациональность, бессмыслицу и интуицию. Марсель Дюшан был доминирующим членом дадаистского движения, известного выставкой «готовых вещей», то есть предметов, которые были куплены или найдены, а затем объявлены искусством.

Дадаисты использовали то, что было легко доступно, для создания так называемого «собрания», используя такие предметы, как фотографии, мусор, наклейки, проездные на автобус и заметки.Работа дадаистов предполагала случай, импровизацию и спонтанность для создания искусства. Они известны тем, что использовали «автоматическое письмо» или письмо потока сознания, которое часто принимало бессмысленные формы, но допускало возможность потенциально неожиданных сопоставлений и бессознательного творчества.

Сюрреализм

Сюрреалистическое движение, развившееся из дадаизма в первую очередь как политическое движение, отличалось элементом неожиданности, неожиданного сопоставления и воздействия на подсознание.Андре Бретон, важный член движения, написал сюрреалистический манифест, определив его следующим образом:

«Сюрреализм, н. Чистый психический автоматизм, с помощью которого предлагается выразить устно, письменно или любым другим способом реальное функционирование мысли. Диктовка мысли при отсутствии всякого контроля со стороны разума, вне всяких эстетических и моральных забот. «

Подобно дадаизму до него, сюрреалистическое движение подчеркивало неважность разума и планирования и вместо этого в значительной степени полагалось на случай и неожиданность как на инструмент, позволяющий использовать творческие способности бессознательного.Сюрреалисты известны тем, что изобрели рисунок «изысканного трупа» — упражнение, в котором слова и изображения совместно собираются одно за другим. Многие сюрреалистические техники, в том числе изысканный рисунок трупа, позволяли создавать искусство в игровой форме, придавая значение спонтанному производству.

Механизм Fluxus

Движение Fluxus 1960-х находилось под сильным влиянием дадаизма. Fluxus был международной сетью художников, которые умело сочетали воедино множество различных дисциплин и чьи работы характеризовались использованием экстремальной эстетики «сделай сам» (DIY) и в значительной степени интермедийных произведений искусства.Кроме того, Fluxus был известен своими «хэппенингами», которые представляли собой междисциплинарные мероприятия или ситуации, которые могли происходить где угодно. Участие публики было необходимо в мероприятии, и поэтому полагалось на немало сюрпризов и импровизации. Ключевые элементы событий часто планировались, но художники оставляли место для импровизации, что стирало границу между произведением искусства и зрителем, тем самым делая аудиторию важной частью искусства.

Включение всех пяти чувств

Включение пяти человеческих чувств в одно произведение чаще всего происходит в инсталляции и перформансе.

Цели обучения

Объясните, как инсталляция и перформанс включают пять чувств зрителя.

Основные выводы

Ключевые моменты

• В современном искусстве довольно часто работа ориентирована на зрение, осязание и слух, в то время как несколько реже обращаются к запаху и вкусу.
• «Gesamtkunstwerk» или «полное произведение искусства» — это немецкое слово, обозначающее произведение искусства, которое пытается воздействовать на все пять человеческих чувств.
• Искусство инсталляции — это жанр трехмерных произведений искусства, призванный изменить восприятие зрителем пространства.
• Виртуальная реальность — это термин, обозначающий среды, смоделированные компьютером.

Ключевые термины

• событие : Спонтанное или импровизированное событие, особенно с участием аудитории.
• виртуальная реальность : компьютерная реальность.

Включение пяти человеческих чувств в одно произведение чаще всего происходит в инсталляционном и перформансном искусстве.Кроме того, работы, которые стремятся охватить все чувства одновременно, обычно используют некоторую форму интерактивности, поскольку чувство вкуса явно должно включать участие зрителя. Исторически такое внимание ко всем чувствам относилось к ритуалам и церемониям. В современном искусстве довольно часто работа ориентирована на зрение, осязание и слух, в то время как искусство несколько реже обращается к обонянию и вкусу.

Немецкое слово «Gesamtkunstwerk», означающее «полное произведение искусства», относится к жанру произведения искусства, которое пытается воздействовать на все пять человеческих чувств.Эта концепция была выдвинута на первый план немецким оперным композитором Рихардом Вагнером в 1849 году. Вагнер поставил оперу, которая стремилась объединить формы искусства, которые, по его мнению, стали чрезмерно разрозненными. В операх Вагнера уделяется большое внимание каждой детали, чтобы добиться полного художественного погружения. «Gesamkunstwerk» — теперь общепринятый английский термин, относящийся к эстетике, но произошел от определения Вагнера и означает включение пяти смыслов в искусство.

Искусство инсталляции — это жанр трехмерных произведений искусства, призванный изменить восприятие зрителем пространства.Набережная , , Рэйчел Уайтрид, является примером такого преобразования. Этот термин обычно относится к внутреннему пространству, в то время как Land Art обычно относится к открытому пространству, хотя между этими терминами есть некоторое совпадение. Движение Fluxus 1960-х годов является ключом к развитию инсталляции и перформанса как средств массовой информации.

Рэйчел Уайтред, Набережная , 2005 : Инсталляция Уайтреда Набережная — это искусство, призванное изменить восприятие зрителем пространства.

«Виртуальная реальность» — это термин, относящийся к среде, смоделированной компьютером. В настоящее время большинство сред виртуальной реальности представляет собой визуальный опыт, но некоторые модели включают дополнительную сенсорную информацию. Иммерсивная виртуальная реальность развивалась в последние годы с развитием технологий и все больше затрагивает пять чувств в виртуальном мире. Художники изучают возможности этих смоделированных и виртуальных реальностей с расширением дисциплины кибератров, хотя то, что составляет киберарту, продолжает оставаться предметом споров.Такие среды, как виртуальный мир Second Life, являются общепринятыми, но вопрос о том, следует ли считать видеоигры искусством, остается открытым.

Составной баланс

Композиционный баланс относится к размещению художественных элементов по отношению друг к другу в произведении искусства.

Цели обучения

Классификация элементов композиционного баланса в произведении искусства

Основные выводы

Ключевые моменты

• Гармоничный композиционный баланс предполагает расположение элементов таким образом, чтобы ни одна часть произведения не подавляла и не казалась тяжелее любой другой части.
• Три наиболее распространенных типа композиционного баланса: симметричный, асимметричный и радиальный.
• В сбалансированном состоянии композиция выглядит стабильной и визуально правильной. Подобно тому, как симметрия относится к эстетическим предпочтениям и отражает интуитивное ощущение того, как вещи «должны» выглядеть, общий баланс данной композиции способствует внешним суждениям о работе.

Ключевые термины

• радиальный : расположены как лучи, исходящие от общего центра или сходящиеся к нему.
• симметрия : точное соответствие по обе стороны от разделительной линии, плоскости, центра или оси. Удовлетворительное расположение сбалансированного распределения элементов целого.
• асимметрия : Отсутствие симметрии или пропорции между частями предмета, особенно отсутствие двусторонней симметрии. Отсутствие общей меры между двумя объектами или величинами; Несоизмеримость. То, что делает что-то несимметричным.

Композиционный баланс относится к размещению элементов искусства (цвета, формы, линии, формы, пространства, текстуры и стоимости) по отношению друг к другу.В сбалансированном состоянии композиция выглядит более устойчивой и визуально приятной. Подобно тому, как симметрия относится к эстетическим предпочтениям и отражает интуитивное ощущение того, как вещи «должны» выглядеть, общий баланс данной композиции способствует внешним суждениям о работе.

Создание гармоничного композиционного баланса включает в себя расположение элементов таким образом, чтобы ни одна часть произведения не подавляла и не казалась тяжелее любой другой части. Три наиболее распространенных типа композиционного баланса — симметричный, асимметричный и радиальный.

Композиционные весы : Три распространенных типа весов — симметричные, асимметричные и радиальные.

Симметричный баланс является наиболее стабильным в визуальном смысле и обычно передает ощущение гармоничной или эстетически приятной пропорциональности. Когда обе стороны произведения искусства по обе стороны от горизонтальной или вертикальной оси плоскости изображения одинаковы с точки зрения ощущения, которое создается расположением элементов искусства, считается, что произведение демонстрирует этот тип баланса.Противоположностью симметрии является асимметрия.

Леонардо да Винчи, Витрувианский человек , 1487 : Леонардо да Винчи Витрувианский человек часто используется как представление симметрии в человеческом теле и, в более широком смысле, в естественной вселенной.

Асимметрия определяется как отсутствие или нарушение принципов симметрии. Примеры асимметрии часто встречаются в архитектуре. Хотя досовременные архитектурные стили имели тенденцию делать упор на симметрию (за исключением тех случаев, когда экстремальные условия местности или исторические события уводят от этого классического идеала), современные и постмодернистские архитекторы часто использовали асимметрию в качестве элемента дизайна.Например, в то время как большинство мостов имеют симметричную форму из-за внутренней простоты проектирования, анализа, изготовления и экономичного использования материалов, ряд современных мостов сознательно отошли от этого, либо в ответ на соображения, связанные с конкретным местом, либо чтобы создать эффектный дизайн. .

Мост через залив Окленд : Замена восточного пролета моста Сан-Франциско-Окленд через залив отражает асимметричный архитектурный дизайн.

Радиальные весы относятся к круглым элементам в композициях.В классической геометрии радиус круга или сферы — это любой отрезок линии от центра до периметра. В более широком смысле радиус круга или сферы — это длина любого такого сегмента, составляющая половину диаметра. Радиус может быть больше половины диаметра, который обычно определяется как максимальное расстояние между любыми двумя точками фигуры. Внутренний радиус геометрической фигуры — это обычно радиус самого большого круга или сферы, содержащейся в ней. Внутренний радиус кольца, трубки или другого полого предмета — это радиус его полости.Название «радиальный» или «радиус» происходит от латинского radius , что означает «луч», а также спица колеса круговой колесницы.

Ритм

Художники используют ритм как инструмент, чтобы направлять взгляд зрителя через произведения искусства.

Цели обучения

Распознавать и интерпретировать использование ритма в произведении искусства

Основные выводы

Ключевые моменты

• Ритм в целом можно определить как «движение, отмеченное регулируемой последовательностью сильных и слабых элементов или противоположных или различных состояний» (Anon.1971).
• Ритм может также относиться к визуальному представлению как «синхронизированное движение в пространстве» (Jirousek 1995), а общий язык паттернов объединяет ритм с геометрией.
• Например, размещение красной спирали в нижнем левом и верхнем правом углу, например, заставит глаз перемещаться от одной спирали к другой и всему, что находится между ними. Он указывает на движение в произведении посредством повторения элементов и, следовательно, может сделать произведение более активным.

Ключевые термины

• симметрия : точное соответствие по обе стороны от разделительной линии, плоскости, центра или оси.Удовлетворительное расположение сбалансированного распределения элементов целого.

Принципы изобразительного искусства — это правила, инструменты и рекомендации, которые художники используют для организации элементов в произведении искусства. Когда принципы и элементы удачно сочетаются, они помогают создать эстетически приятное или интересное произведение искусства. Хотя между ними есть некоторые вариации, движение, единство, гармония, разнообразие, баланс, ритм, акцент, контраст, пропорции и узор обычно считаются принципами искусства.

(от греческого ритм , «любое регулярное повторяющееся движение, симметрия» (Liddell and Scott 1996)) можно в целом определить как «движение, отмеченное регулируемой последовательностью сильных и слабых элементов или противоположных или различных состояний». (Аноним. 1971). Это общее значение регулярной повторяемости или закономерности во времени может быть применено к широкому спектру циклических природных явлений, имеющих периодичность или частоту от микросекунд до миллионов лет. В исполнительском искусстве ритм — это хронометраж событий в человеческом масштабе, музыкальных звуков и тишины, шагов танца или метра разговорной речи и поэзии.Ритм может также относиться к визуальному представлению как «синхронизированное движение в пространстве» (Jirousek 1995), а общий язык паттернов объединяет ритм с геометрией.

В визуальной композиции узор и ритм обычно выражаются согласованностью цветов или линий. Например, размещение красной спирали слева внизу и справа вверху заставит глаз перемещаться от одной спирали к другой, а затем к промежутку между ними. Повторение элементов создает движение глаза зрителя и, следовательно, может сделать произведение активным.Картина Хильмы аф Клинт Svanen (Лебедь) иллюстрирует визуальное представление ритма с использованием цвета и симметрии.

Хильма аф Клинт, Сванен (Лебедь) , 1914 : Цвет и симметрия работают вместе в этой картине, чтобы направлять взгляд зрителя в определенном визуальном ритме.

Пропорции и масштаб

Пропорция — это мера размера и количества элементов в композиции.

Цели обучения

Применение концепции пропорции к различным произведениям искусства

Основные выводы

Ключевые моменты

• Иерархическая пропорция — это техника, используемая в искусстве, в основном в скульптуре и живописи, в которой художник использует неестественные пропорции или масштаб, чтобы показать относительную важность фигур в произведении искусства.
• Математически пропорция — это отношение между элементами и целым. В архитектуре целое — это не просто здание, а обстановка и обстановка участка.
• Среди различных древних художественных традиций гармонические пропорции, человеческие пропорции, космические ориентации, различные аспекты сакральной геометрии и малые целочисленные отношения применялись как часть практики архитектурного дизайна.

Ключевые термины

• золотое сечение : Иррациональное число (приблизительно 1 · 618), обычно обозначаемое греческой буквой φ (фи), которое равно сумме собственной обратной величины и 1, или, что то же самое, такое, что отношение 1 к числу равно отношению его обратной единицы к 1.Некоторые художники и архитекторы двадцатого века составили пропорции своих работ, чтобы приблизиться к этому, особенно в форме золотого прямоугольника, в котором отношение длинной стороны к короткой равно этому числу, полагая, что эта пропорция эстетически приятна.

Пропорция — это мера размера и количества элементов в композиции. Иерархическая пропорция — это техника, используемая в искусстве, в основном в скульптуре и живописи, в которой художник использует неестественные пропорции или масштаб, чтобы показать относительную важность фигур в произведении искусства.Например, в древнеегипетском искусстве боги и важные политические фигуры кажутся намного крупнее обычных людей. Начиная с эпохи Возрождения, художники осознали связь между пропорцией и перспективой и иллюзией трехмерного пространства. Изображения человеческого тела в преувеличенных пропорциях использовались для изображения реальности, которую интерпретировал художник.

Изображение Нармера из палитры Нармера : Нармер, додинастический правитель, в сопровождении людей, несущих знамена различных местных богов.Это произведение демонстрирует использование пропорций древними египтянами, при этом Нармер кажется больше, чем другие изображенные фигуры.

Математически пропорция — это отношение между элементами и целым. В архитектуре целое — это не просто здание, а обстановка и обстановка участка. Вещи, которые делают здание и его участок «правильным», включают все, от ориентации участка и построек на нем до особенностей территории, на которой оно расположено. Свет, тень, ветер, высота и выбор материалов относятся к стандарту архитектурных пропорций.

Архитектура часто использовала пропорциональные системы для создания или ограничения форм, которые считались подходящими для включения в здание. Практически в каждой строительной традиции существует система математических отношений, которая регулирует отношения между аспектами дизайна. Эти системы пропорций часто довольно просты: целочисленные отношения или несоизмеримые отношения (например, золотое сечение) определялись с использованием геометрических методов. Как правило, цель пропорциональной системы — создать ощущение согласованности и гармонии между элементами здания.

Среди различных древних художественных традиций гармонические пропорции, человеческие пропорции, космические ориентации, различные аспекты сакральной геометрии и малые целочисленные отношения применялись как часть практики архитектурного дизайна. Например, все греческие классические архитектурные порядки являются пропорциональными, а не размерными или измеренными модулями, потому что самые ранние модули основывались не на частях тела и их размахе (пальцы, ладони, кисти и ступни), а на диаметрах колонн и ширине. аркад и окон.

Храм Портана : Греческий храм Портана является примером классической греческой архитектуры с четырехстильным портиком из четырех ионических колонн.

Как правило, один набор модулей диаметра колонн, используемых египтянами и римлянами для корпусных и архитектурных карнизов, основан на пропорциях ладони и пальца, в то время как другой, менее тонкий модуль — используется для отделки дверей и окон, плитки и кровли. в Месопотамии и Греции — на основе пропорций кисти и большого пальца.

Еще у пифагорейцев была идея, что пропорции должны быть связаны со стандартами, и что чем более общие и шаблонные стандарты, тем лучше. Эта концепция — красота и элегантность, подтверждаемые умелым составом хорошо понятных элементов — лежит в основе математики, искусства и архитектуры. Классические стандарты представляют собой серию парных противоположностей, разработанных для расширения размерных ограничений гармонии и пропорции.

Космос

Пространство в искусстве можно определить как область, которая существует между двумя идентифицируемыми точками.

Цели обучения

Определите пространство в искусстве и перечислите способы его использования художниками

Основные выводы

Ключевые моменты

• Организация пространства называется композицией и является важным компонентом любого произведения искусства.
• Пространство художественного произведения включает фон, передний план и средний план, а также расстояние между предметами, вокруг них и внутри них.
• Есть два типа пространства: положительное пространство и отрицательное пространство.
• После сотен лет разработки линейной перспективы западные художественные представления о точном изображении пространства претерпели радикальные изменения в начале 20 века.
• Кубизм и последующие модернистские движения представляют собой важный сдвиг в использовании пространства в западном искусстве, который ощущается и сегодня.

Ключевые термины

• пробел : расстояние или пустое пространство между объектами.
• Кубизм : Художественное направление начала 20 века, характеризующееся изображением естественных форм как геометрических структур плоскостей.

Организация пространства в искусстве называется композицией и является важным компонентом любого произведения искусства. Пространство в целом можно определить как область, которая существует между любыми двумя идентифицируемыми точками.

Пространство воспринимается по-разному в каждой среде. Пространство в картине, например, включает фон, передний план и средний план, в то время как трехмерное пространство, такое как скульптура или инсталляция, будет включать расстояние между точками произведения, вокруг и внутри него.Далее пространство подразделяется на положительное и отрицательное. «Позитивное пространство» можно определить как предмет художественного произведения, а «отрицательное пространство» можно определить как пространство вокруг предмета.

На протяжении веков пространство создавалось по-разному. Художники много времени уделяли экспериментам с перспективой и степенью плоскостности живописной плоскости.

Система перспективы была широко распространена в западном искусстве. Визуально это иллюзионистский феномен, хорошо подходящий для реализма и изображения реальности такой, какой она есть.Потратив сотни лет на разработку линейной перспективы, западные художественные представления о точном изображении пространства претерпели радикальные изменения в начале 20-го века. Нововведения кубизма и последующих модернистских движений представляют собой важный сдвиг в использовании пространства в западном искусстве, влияние которого ощущается до сих пор.

Пабло Пикассо, Les Demoiselles d’Avignon , 1907 : Les Demoiselles d’Avignon — образец искусства кубизма, которое имеет тенденцию сглаживать плоскость изображения, а использование абстрактных форм и неправильных форм предполагает несколько точек зрения на одном изображении.

Двумерное пространство

Двумерное или двумерное пространство — это геометрическая модель плоской проекции физической вселенной, в которой мы живем.

Цели обучения

Обсудить двумерное пространство в искусстве и физические свойства, на которых оно основано

Основные выводы

Ключевые моменты

• С физической точки зрения, измерение относится к составной структуре всего пространства и его положению во времени.
• Рисунок — это форма визуального искусства, в которой используется любое количество инструментов для отметки двухмерного носителя.
• Практически любую размерную форму можно представить в виде некоторой комбинации куба, сферы, цилиндра и конуса. После того, как эти основные формы собраны в подобие, рисунок может быть улучшен до более точной и отполированной формы.

Ключевые термины

• измерение : Отдельный аспект данной вещи. Мера пространственной протяженности в определенном направлении, например высота, ширина или ширина или глубина.
• Двумерный : Существуют в двух измерениях.Не создает иллюзии глубины.
• Planar : относится к самолету или относится к нему. Плоский, двухмерный.

Двумерное или двумерное пространство — это геометрическая модель плоской проекции физической вселенной, в которой мы живем. Эти два измерения обычно называют длиной и шириной. Оба направления лежат в одной плоскости. В физике наше двумерное пространство рассматривается как плоское представление пространства, в котором мы движемся.

Математическое изображение двумерного пространства : Двумерная декартова система координат.

В художественной композиции рисунок — это форма визуального искусства, в которой используется любое количество инструментов для рисования для обозначения двухмерной среды (что означает, что объект не имеет глубины). Одно из самых простых и эффективных средств передачи визуальных идей, среда была популярным и фундаментальным средством публичного выражения на протяжении всей истории человечества. Кроме того, относительная доступность основных инструментов для рисования делает рисование более универсальным, чем большинство других средств массовой информации.

Измерение размеров объекта при блокировке на чертеже — важный шаг в создании реалистичного изображения объекта.Для измерения углов с разных сторон можно использовать такие инструменты, как компас. Эти углы можно воспроизвести на поверхности чертежа, а затем перепроверить, чтобы убедиться, что они точны. Другой способ измерения — это сравнение относительных размеров различных частей объекта друг с другом. Палец, помещенный в точку вдоль инструмента для рисования, можно использовать для сравнения этого размера с другими частями изображения. Линейку можно использовать как линейку, так и как устройство для вычисления пропорций. При попытке нарисовать сложную форму, такую ​​как фигура человека, полезно сначала представить форму с помощью набора примитивных форм.

Практически любую размерную форму можно представить в виде некоторой комбинации куба, сферы, цилиндра и конуса. После того, как эти основные формы собраны в подобие, рисунок может быть улучшен до более точной и отполированной формы. Линии примитивных форм удаляются и заменяются окончательным подобием. Более изысканное искусство рисования фигур зависит от художника, обладающего глубоким пониманием анатомии и человеческих пропорций. Опытный художник знаком со структурой скелета, расположением суставов, размещением мышц, движением сухожилий и тем, как различные части работают вместе во время движения.Это позволяет художнику создавать более естественные позы, которые не кажутся искусственно жесткими. Художник также знаком с тем, как меняются пропорции в зависимости от возраста объекта, особенно при рисовании портрета.

Рисование человеческих фигур : Анри де Тулуз-Лотрек Мадам Пальмира с собакой , 1897.

Линейная перспектива и трехмерное пространство

Перспектива — это приблизительное представление на плоской поверхности изображения, видимого глазом.

Цели обучения

Объясните перспективу и ее влияние на художественную композицию

Основные выводы

Ключевые моменты

• Считается, что систематические попытки разработать систему перспективы начались примерно в V веке до нашей эры. в искусстве Древней Греции.
• Самые ранние художественные картины и рисунки обычно имели размеры объектов и персонажей иерархически в соответствии с их духовной или тематической важностью, а не их расстоянием от зрителя.
• В средневековой Европе использование и изощренность попыток передать расстояние неуклонно росли, но без основы систематической теории.
• В эпоху Возрождения почти каждый художник в Италии использовал геометрическую перспективу в своих картинах, как для изображения глубины, так и в качестве нового и «актуального» композиционного метода.

Ключевые термины

• криволинейный : имеющий изгибы; изогнутый; образованы изогнутыми линиями.
• линия горизонта : Горизонтальная линия на перспективном рисунке, расположенная прямо напротив глаза зрителя и часто подразумеваемая, которая представляет объекты бесконечно далекие и определяет угол или перспективу, с которой зритель видит произведение.
• точка схода : точка на перспективном чертеже, в которой параллельные линии, удаляющиеся от наблюдателя, кажутся сходящимися.
• Перспектива : Техника представления трехмерных объектов на двумерной поверхности.

В искусстве перспектива — это приблизительное представление на плоской поверхности изображения, видимого глазом, вычисленное с учетом конкретной точки схода. Обычно считается, что систематические попытки разработать систему перспективы в искусстве Древней Греции начались примерно в V веке до нашей эры.В более поздние периоды античности художники — особенно представители менее популярных традиций — были хорошо осведомлены о том, что далекие объекты можно показывать меньшими, чем те, которые находятся под рукой, для усиления иллюзионизма. Но действительно ли это соглашение использовалось в работе, зависело от многих факторов. Некоторые из картин, найденных в руинах Помпеи, демонстрируют замечательный для своего времени реализм и перспективу.

Самые ранние художественные картины и рисунки обычно имели размеры объектов и персонажей иерархически в соответствии с их духовной или тематической важностью, а не их расстоянием от зрителя.Наиболее важные фигуры часто показаны как самые высокие в композиции, также из иератических мотивов, что приводит к «вертикальной перспективе», обычной в искусстве Древнего Египта, где группа «более близких» фигур показана под большей фигурой (s ).

В искусстве Периода миграции не было традиции пытаться составить большое количество фигур, а искусство раннего средневековья было медленным и непоследовательным в переучивании условностей из классических моделей, хотя этот процесс можно наблюдать в искусстве Каролингов.Европейские средневековые художники знали об общем принципе изменения относительного размера элементов в зависимости от расстояния, а использование и изощренность попыток передать расстояние неуклонно увеличивались в течение периода, но без основы в систематической теории.

Однако в эпоху Возрождения почти каждый художник в Италии использовал геометрическую перспективу в своих картинах. Использование перспективы было не только способом изобразить глубину, но и новым методом создания картины.Картины стали изображать одну единую сцену, а не комбинацию нескольких. Какое-то время перспектива оставалась прерогативой Флоренции. Постепенно, отчасти благодаря движению академий искусств, итальянские техники стали частью обучения художников по всей Европе, а позже и в других частях мира.

Перспектива в живописи эпохи Возрождения : Использование перспективы Пьетро Перуджино на этой фреске в Сикстинской капелле (1481–1482 гг.) Помогло принести в Рим эпоху Возрождения.

Чертеж имеет одноточечную перспективу, если он содержит только одну точку схода на линии горизонта. Этот тип перспективы обычно используется для изображений дорог, железнодорожных путей, коридоров или зданий, просматриваемых так, чтобы передняя часть смотрела прямо на зрителя. Любые объекты, состоящие из линий, либо непосредственно параллельных линии взгляда зрителя, либо перпендикулярных прямой (железнодорожные рейки), могут быть представлены в одноточечной перспективе. Эти параллельные линии сходятся в точке схода.

Двухточечная перспектива может использоваться для рисования тех же объектов, что и одноточечная перспектива, но с поворотом — например, если смотреть на угол дома или смотреть на две раздвоенные дороги, уходящие вдаль. Например, если смотреть на дом из угла, одна стена отступит к одной точке схода, а другая стена отступит к противоположной точке схода.

Трехточечная перспектива используется для зданий, изображенных сверху или снизу. В дополнение к двум предыдущим точкам схода, по одной для каждой стены, теперь есть третья, указывающая, как эти стены уходят в землю.Эта третья точка схода будет под землей.

Четырехточечная перспектива — криволинейный вариант двухточечной перспективы. Получившийся удлиненный каркас можно использовать как по горизонтали, так и по вертикали. Как и все другие варианты перспективы в ракурсе, четырехточечная перспектива начинается с линии горизонта, за которой следуют четыре равноотстоящих точки схода, очерчивающие четыре вертикальные линии. Поскольку точки схода существуют только тогда, когда в сцене присутствуют параллельные линии, перспектива без точек схода («нулевая точка») возникает, если зритель наблюдает непрямолинейную сцену.Наиболее распространенный пример нелинейной сцены — это естественная сцена (например, горный хребет), которая часто не содержит параллельных линий. Перспектива без точек схода может создать ощущение глубины.

Искажения пространства и ракурса

Искажение используется для создания различных изображений пространства в двумерных произведениях искусства.

Цели обучения

Определите, как искажение используется и как избегается в произведениях искусства

Основные выводы

Ключевые моменты

• Искажение перспективной проекции — это неизбежное искажение трехмерного пространства при его рисовании или «проецировании» на двухмерную поверхность.Невозможно точно изобразить трехмерную реальность на двухмерной плоскости.
• Однако есть несколько доступных конструкций, которые позволяют, казалось бы, точное представление. Перспективную проекцию можно использовать для отражения того, как видит глаз, с помощью одной или нескольких точек схода.
• Хотя искажения могут быть нерегулярными или следовать многим узорам, наиболее часто встречающиеся искажения в композиции, особенно в фотографии, являются радиально-симметричными или приблизительно таковыми, возникающими из-за симметрии фотографического объектива.

Ключевые термины

• радиальный : расположены как лучи, исходящие из общего центра или сходящиеся к нему
• проекция : изображение, которое полупрозрачный объект отбрасывает на другой объект.
• ракурс : метод создания внешнего вида, что объект рисунка расширяется в пространство, путем укорачивания линий, с помощью которых этот объект нарисован.

Искажение — это изменение исходной формы (или другой характеристики) объекта, изображения, звука или другой формы информации или представления.Художник может хотеть или нежелать искажения. Искажения обычно нежелательны, когда речь идет о физической деградации произведения. Однако его чаще называют перспективой, где он используется для создания реалистичных представлений пространства в двумерных произведениях искусства.

Искажение проекции перспективы

Искажение проекции перспективы — это неизбежное искажение трехмерного пространства при его рисовании или «проецировании» на двумерную поверхность.Невозможно точно изобразить трехмерную реальность на двухмерной плоскости. Однако есть несколько доступных конструкций, которые позволяют, казалось бы, точное представление. Самый распространенный из них — перспективная проекция. Перспективную проекцию можно использовать для отражения того, как видит глаз, используя одну или несколько точек схода.

Джотто, Плач (Оплакивание Христа) , 1305–1306 : Джотто — один из самых известных художников эпохи до Возрождения, который распознавал искажения в двухмерных плоскостях.

ракурс

ракурс — это визуальный эффект или оптическая иллюзия, при которой объект или расстояние кажутся короче, чем они есть на самом деле, потому что они расположены под углом к ​​зрителю. Хотя ракурс является важным элементом в искусстве, где изображается визуальная перспектива, ракурс встречается в других типах двумерных представлений трехмерных сцен, таких как рисунки с параллельной наклонной проекцией.

Физиологическая основа зрительного ракурса не была определена до 1000 года, когда арабский математик и философ Альхазен в своей книге Perspectiva впервые объяснил, что свет конусно проецируется в глаз.Метод для систематического изображения укороченной геометрии на плоской поверхности был неизвестен в течение следующих 300 лет. Художник Джотто, возможно, был первым, кто осознал, что изображение, видимое глазом, искажено: глазу параллельные линии кажутся пересекающимися (как далекие края тропинки или дороги), тогда как в «неискаженной» природе они пересекаются. нет. Во многих картинах Джотто перспектива используется для достижения различных эффектов искажения.

Ракурс : Эта картина иллюстрирует использование Мелоццо да Форли ракурса вверх в его фресках в Базилике делла Санта-Каса.

Искажения на фотографии

В фотографии механизм проецирования — это свет, отраженный от объекта. Чтобы выполнить рисунок с использованием перспективной проекции, проекторы исходят из всех точек объекта и пересекаются в точке станции. Эти проекторы пересекаются с воображаемой плоскостью проекции, и изображение создается на плоскости по точкам пересечения. Результирующее изображение на плоскости проекции воспроизводит изображение объекта, наблюдаемое с точки станции.

Радиальное искажение обычно можно разделить на два основных типа: бочкообразное искажение и подушкообразное искажение. Бочкообразное искажение возникает, когда увеличение изображения уменьшается по мере удаления от оптической оси. Кажущийся эффект — это эффект изображения, нанесенного на сферу (или бочку). Линзы «рыбий глаз», которые принимают полусферические виды, используют этот тип искажения как способ сопоставить бесконечно широкую плоскость объекта с конечной областью изображения.

С другой стороны, при подушкообразном искажении увеличение изображения увеличивается с удалением от оптической оси.Видимый эффект заключается в том, что линии, которые не проходят через центр изображения, изгибаются внутрь, к центру изображения, как подушечка для иголок. Определенное количество подушкообразных искажений часто обнаруживается с помощью оптических инструментов (например, биноклей), где они служат для устранения эффекта глобуса.

Цилиндрическая перспектива — это форма искажения, вызванная «рыбьим глазом» и панорамными линзами, которые воспроизводят прямые горизонтальные линии выше и ниже уровня оси линзы как изогнутые, а прямые горизонтальные линии на уровне оси линзы как прямые.Это также общая черта широкоугольных анаморфных объективов с фокусным расстоянием менее 40 мм в кинематографии. По сути, это просто бочкообразное искажение, но только в горизонтальной плоскости. Это артефакт процесса сжатия, который делают анаморфные линзы, чтобы уместить широкоэкранные изображения на пленку стандартной ширины.

Визуализация развития растений и экспрессии генов в трех измерениях с помощью оптической проекционной томографии

Plant Cell. 2006 сен; 18 (9): 2145–2156.

Карен Ли

^a Департамент клеточной биологии и биологии развития, Центр Джона Иннеса, Норвичский исследовательский парк, Норвич, NR4 7UH Соединенное Королевство

Джером Эйвондо

^b Школа компьютерных наук Университета Восточной Англии, Норидж , NR4 7TJ United Kingdom

Harris Morrison

^c Группа оптической проекционной томографии, Отделение генетики человека Совета медицинских исследований, Western General Hospital, Эдинбург, Eh5 2XU United Kingdom

Lilian Blot

^b School of Computing Sciences, Университет Восточной Англии, Норвич, NR4 7TJ Соединенное Королевство

Маргарет Старк

^d Edinburgh Mouse Atlas Group, Медицинский исследовательский совет Отделение генетики человека, Западная больница общего профиля, Эдинбург, Eh5 2XU United Kingdom

James Sharpe

^c Группа оптической проекционной томографии, Отделение генетики человека Совета медицинских исследований, Western General Госпиталь, Эдинбург, Eh5 2XU United Kingdom

Andrew Bangham

^b Школа компьютерных наук, Университет Восточной Англии, Норвич, NR4 7TJ Соединенное Королевство

Enrico Coen

^a Департамент клеточной биологии и биологии развития, Джон Innes Center, Norwich Research Park, Norwich, NR4 7UH United Kingdom

^a Департамент клеточной биологии и биологии развития, John Innes Center, Norwich Research Park, Norwich, NR4 7UH United Kingdom

^b School of Computing Sciences, University of East Anglia, Norwich, NR4 7TJ United Kingdom

^c Группа оптической проекционной томографии, Отделение генетики человека Совета по медицинским исследованиям, Western General Hospital, Эдинбург, Eh5 2XU United Kingdom

^d Edinburgh Mouse Atlas Group, Совет по медицинским исследованиям Отделение генетики человека, Западная больница общего профиля, Эдинбург, Eh5 2XU United Kingdom

Получено 6 апреля 2006 г .; Пересмотрено 16 июня 2006 г .; Принята в печать 21 июля 2006 г.

Дополнительные материалы

[Дополнительные данные]

GUID: 7083EADC-6713-4A37-9792-9B5B37524E3A

GUID: 934B5BB4-9441-4FD3-8506-1805BEC902A8

GUID: 4E1C2051-30C4-49D9-B5B3-A6D2796AEDDD

GUID: A67640BF-C0CA-4E19-96EC-647B7CFAF70C

GUID: 39628E55-C9EA-4FF7-83B7-032FFA0F70CB

GUID: 35346326-6687-4B41-9A7D-91A26B64EA73

GUID: B45FBA30-276E-4710-8130-94D67D35EFE8

GUID: 9AF90DA8-3F4E-4193-97D0-2C192FDD6E0B

GUID: 3EA0606E-99A1-4887-9C3F-FB40887C64C2

GUID: 9ABCD31C-74BB-4FCE-8BD1-B12F4FDDC416

GUID: 1DA214DF-CE0C-4991-9CE2-4FCDE0155D65

GUID: AD698B0E-040C-4909-B659-02D104F24C30

GUID: 0C126C77-21B4-41F4-9813-32011DDE4827

GUID: DB3B8CF7-0B71-4F21-965E-EF04402CCA12

GUID: ECA5BCF7-E3C1-4389-9FD6-DB9B6322E805

Abstract

Более глубокое понимание механизмов, лежащих в основе роста и развития растений, требует количественных данных о трехмерной (3D) морфологии и активности генов на различных этапах и в различных масштабах.Чтобы решить эту проблему, мы исследовали использование оптической проекционной томографии (ОПТ) в качестве метода сбора трехмерных данных с образцов растений. Мы показываем, что OPT может быть удобно применен к широкому спектру растительного материала в различных масштабах, включая рассаду, листья, цветы, корни, семена, зародыши и меристемы. В самом высоком разрешении можно увидеть большие отдельные клетки в контексте окружающей структуры растения. Для естественно полупрозрачных структур, таких как корни, также возможно получение трехмерных изображений в реальном времени с использованием OPT.Трехмерные домены экспрессии генов могут быть визуализированы с использованием либо маркерных генов, таких как β-глюкуронидаза, либо, более непосредственно, путем гибридизации in situ целиком. Мы также описываем инструменты и программное обеспечение, которые позволяют легко количественно оценить и визуализировать трехмерные данные в интерактивном режиме различными способами.

ВВЕДЕНИЕ

Основная цель биологии развития — понять, как трехмерная (3D) морфология организмов возникает через молекулярные и клеточные механизмы. Однако традиционные анатомические и молекулярные исследования развития растений в основном полагались на двумерные (2D) изображения.Трехмерные свойства структур растений часто косвенно выводятся путем полуколичественной экстраполяции двумерной информации. Хотя этого может быть достаточно для некоторых аспектов биологии растений, понимание роста и функционирования растений все чаще требует количественных трехмерных данных. Это создает две основные проблемы. Во-первых, нам нужны удобные методы получения трехмерных цифровых изображений. Во-вторых, необходимы программные инструменты, позволяющие легко визуализировать, исследовать и количественно оценивать трехмерные изображения.

Для получения трехмерной информации от растений использовались различные подходы с различным разрешением по разным осям ( x , y и z ).Некоторые из этих методов используют оптические методы. Примером могут служить 3D-реконструкции из серии срезов микротома (Fiala, 2005). Разрешение по осям x и y ограничено длиной волны видимого света (∼0,5 мкм), тогда как разрешение по оси x зависит от толщины секций (обычно от 5 до 10 мкм). Серийное срезы имеет то преимущество, что можно легко увидеть активность гена и гистологические пятна. Однако процедура трудоемкая и подвержена ошибкам при выравнивании.Конфокальная микроскопия решает многие из этих проблем и имеет предел разрешения 0,3 мкм × 0,3 мкм × 0,5 мкм (Liu and Chiang, 2003; Jönsson et al., 2006). Однако этот метод ограничен общей толщиной образца, который может быть визуализирован: качество изображения быстро снижается для оптических сечений глубже 60–80 мкм (Haseloff et al., 1997). Глубину можно увеличить за счет пространственного разрешения с помощью оптической когерентной микроскопии (OCM). ОКМ использовали для получения трехмерных изображений целых растущих растений Arabidopsis thaliana и отдельных клеток с разрешением 3 мкм × 3 мкм × 5 мкм и максимальной глубиной образца от 2 до 3 мм.OCM обеспечивает средства постоянного мониторинга растений и растительных клеток на протяжении всего развития и в ответ на экзогенные стимулы (Hettinger et al., 2000; Reeves et al., 2002). Совсем недавно OCM был использован в системах животных для получения разрешения 1 мкм × 1 мкм × 1 мкм с глубиной 10 мм (Greive et al., 2005). Микроскопия с селективным плоским освещением также преодолевает ограничения по глубине, используя лист лазерного света толщиной от 2 до 8 мкм для оптического сечения образца. Паттерны экспрессии белка в живых эмбрионах регистрировались с разрешением 6 мкм × 6 мкм × 6 мкм на глубину 500 мкм, используя этот метод (Huisken et al., 2004). Микроскопия с насыщенным структурированным освещением использовалась для получения 2D-изображений за пределами дифракционных ограничений с разрешением до 50 нм (Gustafsson, 2005). С помощью этого метода были получены трехмерные изображения актинового цитоскелета нейтрофила человека (http://msg.ucsf.edu:8100/∼mats/).

Ограничения по глубине также можно преодолеть, используя методы, основанные на магнитном резонансе или типы излучения, которые проникают глубже в образцы. Однако это происходит за счет разрешения. Магнитно-резонансная томография (МРТ) позволяет получать изображения в реальном времени без ограничения глубины и может разрешать до 20 мкм × 20 мкм × 1.5 мм (Holbrook et al., 2001). Хотя можно просматривать паттерны экспрессии генов с помощью МРТ с использованием контрастных агентов, которые могут указывать на экспрессию репортера у живых животных (Louie et al., 2000), этот процесс не очень подходит для общих приложений (Ruijter et al., 2004). Рентгеновская компьютерная томография высокого разрешения (HRCT) позволяет получать изображения в реальном времени с разрешением 13 мкм (http://www.mouseimaging.ca/research/gallery_microct_placenta.html). Однако КТВР зависит от контраста между коэффициентом поглощения рентгеновского излучения материалом и не позволяет зафиксировать экспрессию генов (Stuppy et al., 2003). Экспрессия генов у живых животных также была визуализирована с помощью позитронно-эмиссионной томографии; однако этот метод обеспечивает разрешение только 1,8 мм × 1,8 мм × 1,8 мм (Gambhir et al., 1999). МРТ, ВРКТ и позитронно-эмиссионная томография не позволяют визуализировать существующие гистологические пятна, обычно используемые для световой микроскопии.

Другой метод, ранее не использовавшийся с растениями, — это оптическая проекционная томография (ОПТ). OPT имеет преимущества оптических методов, но с большей проницаемостью и способностью генерировать трехмерные изображения нефлуоресцентных сигналов (таких как синий осадок от X-Gal).Это позволяет регистрировать экспрессию генов и гистологию с использованием традиционных красителей тканей с разрешением 5 мкм × 5 мкм × 5 мкм в трехмерном контексте целых эмбрионов и органов глубиной от 0,5 до 15 мм (Sharpe et al., 2002; Sharpe , 2003). Еще одним преимуществом OPT является то, что сканер относительно недорог (в настоящее время составляет примерно четверть стоимости конфокального микроскопа). Недостатком оптических методов, включая OPT, является то, что большие образцы обычно необходимо очищать с помощью органического растворителя, что в большинстве случаев исключает возможность получения изображений в реальном времени.Трехмерную информацию об образце можно получить двумя способами. При флуоресцентном OPT образец освещается УФ-светом, и сигнал зависит от флуоресценции пятен и маркеров или аутофлуоресценции ткани. При использовании OPT на пропускание видимый свет проходит через образец, и сигнал зависит от количества поглощенного света. На сегодняшний день OPT применялся к многочисленным системам позвоночных, включая мыши (Sharpe et al., 2002; Sharpe, 2003, 2004; Wilkie et al., 2004; Walls et al., 2005; Takeuchi et al., 2005), человека (Kerwin et al., 2004; Lickert et al., 2004; Lindsay and Copp, 2005; Lindsay et al., 2005; Sarma et al., 2005), рыбок данио (Bryson-Richardson и Currie, 2004), цыпленка (Tickle, 2004) и лягушки (Tyszka et al., 2005).

Одной общей проблемой при работе с объемными данными, полученными с помощью OPT и других методов, является необходимость визуализировать и анализировать информацию. При создании программных инструментов нужно искать компромисс между гибкостью и простотой использования. Один из подходов — предоставить гибкую программную среду, которая пытается решить большинство проблем, возникающих при визуализации и анализе объемных данных, независимо от области науки.Недостатком является время, затрачиваемое пользователями на разработку пакетов, соответствующих их проблеме. Успешными примерами таких программных пакетов являются AMIRA (http://www.tgs.com/), VTK (http://public.kitware.com/VTK/) и AVS (http://www.avs.com/ ). Второй подход заключается в разработке решений, адаптированных к каждому типу объемных данных. Например, MAPaint был разработан, чтобы позволить вручную рисовать интересующие области в наборах трехмерных данных (Baldock et al., 2003). Мы используем комбинацию этих подходов для разработки общеприменимого программного обеспечения, которое позволяет интерактивную визуализацию и опрос 3D-данных, которые генерируются OPT.

Здесь мы исследуем использование OPT для получения трехмерных данных из растительного материала. Мы показываем, что структуры растений в различных масштабах обеспечивают идеальный материал для визуализации с помощью OPT. Этот метод предоставляет удобные средства для изучения трехмерной морфологии и паттернов экспрессии генов структур растений Arabidopsis и Antirrhinum majus . OPT позволяет проводить трехмерный анализ больших и толстых образцов с визуализацией крупных ячеек. Однако субклеточные структуры и мелкие клетки не разрешимы.В случае корней Arabidopsis можно также использовать OPT для получения изображений в реальном времени. Мы также представляем QtVolView как общее программное решение, особенно подходящее для интерактивной визуализации и количественного анализа наборов данных OPT

РЕЗУЛЬТАТЫ

Визуализация данных OPT от растений

Чтобы изучить возможность использования OPT на растительном материале, образцы были очищены и сфотографирован с помощью устройства OPT. Образцы освещали видимым светом (пропускание OPT) или УФ-светом с соответствующими фильтрами (флуоресцентный OPT).В большинстве случаев освещение ультрафиолетовым светом было наиболее эффективным для выявления структуры ткани. Образец вращали вокруг своей главной оси с шагом 0,9 °, и на каждом шаге делалось изображение, что давало 400 изображений за сканирование. Это позволило реконструировать информацию для всего образца в виде трехмерного цифрового изображения (Sharpe et al., 2002). Трехмерное цифровое изображение состоит из набора единиц объема, называемых вокселями (точно так же, как двухмерное цифровое изображение состоит из набора пикселей). В совокупности эти воксели несут количественную информацию для всего объема образца, от его внутренних структур до внешней поверхности.Размер вокселя измеряется в трех направлениях ( x , x и z ). Программное обеспечение было разработано для облегчения просмотра и количественной оценки данных OPT различными способами.

Образец можно было просматривать в интерактивном режиме без значительных задержек по времени, со скоростью от 10 до 15 кадров в секунду, из любого положения в трехмерном пространстве. Примеры таких объемных изображений цветочных бутонов, верхушек, проростков и плодов показаны на. Точка обзора может изменяться непрерывно, улучшая общее представление пользователя о трехмерной структуре образца.Показаны два образца изображения бутона в цвете. Программа QtVolView использовалась для расчета размеров вокселей, полученных с помощью OPT. Был получен диапазон масштабов от 28 до 1 мкм ³ / воксель.

Данные OPT реконструированы и отображаются в виде объемов.

(A) Объемные изображения OPT цветка Antirrhinum . Изображение основано на комбинации OPT пропускания и флуоресценции (фильтр Leica TXR и фильтры GFP1). Бар = 525 мкм.

(B) Вегетативная меристема Antirrhinum , полученная с помощью флуоресцентного OPT (фильтр GFP1).Бар = 85 мкм.

(C) Первые настоящие листья проростка Arabidopsis , показывающие трихомные клетки на адаксиальной поверхности листа (семядоли удалены). Изображение было получено с помощью флуоресцентного OPT (фильтр GFP1). Бар = 285 мкм.

(D) Часть кремнезема Arabidopsis , полученная с помощью флуоресцентного OPT (фильтр TXR). Бар = 42 мкм.

Объемные виды имеют тот недостаток, что структуры, расположенные ближе к точке обзора, могут перекрывать расположенные дальше.Один из способов обойти эту проблему — отрезать часть конструкции с помощью стандартных плоскостей отсечения. Это может раскрыть более подробную информацию о внутренней структуре. Например, при срезании части бутона были обнаружены внутренние органы (тычинки, плодолистики) (). Точно так же зачатки, сосудистая сеть и семяпочки были выявлены путем вырезания верхушки, проростка и стручка соответственно ().

Клипирование для выявления внутренней морфологии.

(A) Виртуальное рассечение с использованием плоскостей отсечения цветка Antirrhinum , показанного на, выявляет внутренние цветочные структуры, такие как лепестки пыльника (наконечники стрелок) и завязь у основания плодолистика (звездочка).Пыльца более автофлуоресцентная, чем окружающие ткани, поэтому пыльники выглядят ярче. Полосы = 200 мкм (слева) и 365 мкм (справа).

(B) Плоскость отсечения через центр апикальной меристемы побега Antirrhinum . Бар = 55 мкм.

(C) Саженец Arabidopsis , обрезанный для отображения сосудистой сети. Сосудистая сеть более автофлуоресцентная, чем окружающие ткани, поэтому она кажется ярче. Бар = 100 мкм.

(D) Кремнезем Arabidopsis (от), обрезанный, чтобы показать внутреннюю структуру.Кусок был удален с использованием трех плоскостей отсечения, чтобы показать семена, развивающиеся внутри. Удаленный кусок показан слева. Отдельные семена также были разрезаны с использованием шести плоскостей отсечения для отображения эмбриона на стадии сердца (стрелка) и эндосперма внутри (два примера показаны справа). Бар = 35 мкм.

Также можно было создать срезы образца, эквивалентные гистологическим срезам. Сечения любой толщины могут быть созданы с использованием двух параллельных плоскостей отсечения, разделенных требуемой толщиной.Сечения толщиной в один воксель также могут быть созданы путем задания одной плоскости и визуализации вокселей, которые ее пересекают ().

Виртуальное сечение Arabidopsis Silique.

(A) от до (C) Ортогональные секции в исходной ориентации: xy секция (A) ; zx раздел (B) ; и yz раздел (C) .

(D) – (F) Ортогональные сечения, ориентированные параллельно плоскости обзора: xy сечение, показывающее два клапана (v), окружающие развивающиеся семена и перегородку (стрелка) (D) ; zx раздел (E) ; и yz срез с эмбрионами на стадии сердца, помеченными (звездочки) (F) .Бар = 32 мкм.

Свет с трудом проходит через большинство живых образцов растений, поэтому обычно необходимо очистить их в органическом растворителе для получения оптических изображений хорошего качества. Однако для таких структур, как корни, которые по своей природе полупрозрачны, существует возможность сбора данных OPT из живой ткани без фиксации и очистки. Для этого семена Arabidopsis были залиты агарозой, дали прорасти и перенесли в устройство OPT, где они росли, погруженные в воду.ОПТ-изображения прорастающих проростков собирали несколько раз в течение 72-часового периода роста. Саженец был достаточно прозрачным, чтобы обеспечить надежную трехмерную реконструкцию без фиксации и очистки (см. Объемные изображения в). Таким образом, можно использовать OPT для получения трехмерных изображений в реальном времени для естественно полупрозрачных материалов. При большем увеличении можно идентифицировать более крупные отдельные клетки в корне, что повышает возможность использования OPT для детального анализа динамики роста ().

Live OPT Imaging.

(A) Объемные изображения саженца Arabidopsis , растущего в устройстве OPT. Показана серия сканирований OPT в воде, собранных через 4, 9, 24, 49 и 72 часа после начала эксперимента (канал OPT передачи). Бар = 100 мкм.

(B) yz разрез того же корня, что и в (A) , снятый при большем увеличении (8 ×), полученный через 30 часов после начала эксперимента. Бар = 60 мкм.

OPT также можно использовать для захвата паттернов экспрессии генов в 3D.Например, гистохимическое окрашивание растений Arabidopsis , содержащих GLABRA2 : β -глюкуронидаза ( GL2: GUS ), дает сильный сигнал в трихомах, отражающий активность промотора GL2 в этих клетках (). Экспрессирующие GUS области могут быть идентифицированы как темные области с помощью OPT пропускания с видимым светом, тогда как фоновая ткань того же образца может быть визуализирована с помощью флуоресценции OPT. Информация из обоих каналов затем может быть наложена, чтобы дать комбинированное трехмерное изображение с GUS, выделенным красным, и фоновой тканью зеленым ().Это позволило визуализировать экспрессию генов в отдельных листьях или целых проростках. В качестве другого примера, OPT растений LEAFY: GUS ( LFY: GUS ) позволил захватить трехмерный паттерн активности генов в меристемах ().

Визуализация экспрессии генов в 3D.

(A) GL2: Лист GUS Arabidopsis , показывающий окрашивание GUS в трихомах (метамер 5; 13 дней после посева). Бар = 250 мкм.

(B) Общий вид створки, показанный в (A) .Transmission OPT выделяет трихомы, окрашенные GUS, показанные красным. Флуоресценция OPT выделяет оставшуюся ткань листа, показанную зеленым (фильтр GFP1). Два канала были объединены и отображены в одном трехмерном пространстве. Данные собирали с помощью сканера OPT 3001.

(C) LFY: проростки GUS Arabidopsis после удаления листьев и окрашивания для выявления активности GUS (метамеры 1-5 были удалены; через 8 дней после посева). Обозначены метамеры 6 и 7 (m6 и m7). Бар = 170 мкм.

(D) Общий вид саженца, показанный на позиции (C) .Изображение было обрезано, чтобы удалить метамер 6 и выявить окрашивание LFY: GUS (красный) в появляющихся листьях (m8 и m9). Сигнал также виден на боках апикальной меристемы побега. Красный сигнал от OPT передачи, а зеленый сигнал от OPT флуоресценции (фильтр GFP1). Бар = 45 мкм.

(E) Экспрессия DEF в тычинках и зачатках лепестков развивающихся цветков в меристеме соцветий Antirrhinum , выявленной с помощью гибридизации цельной РНК in situ.Бар = 350 мкм.

(F) Объемный вид соцветия Antirrhinum , показанного на (E) , с выражением DEF , выделенным красным цветом, а окружающие ткани — зеленым. Это изображение было получено с помощью трансмиссии OPT с порогом, используемым для отделения сигнала от фона.

3D-паттерны экспрессии гена также могут быть получены с помощью гибридизации цельной РНК in situ. Например, полная гибридизация in situ с геном DEFICIENS ( DEF ) из Antirrhinum (Zachgo et al., 2000) дали темные участки на оборотах 2 и 3 меристем цветков (). Образец трехмерной экспрессии может быть захвачен OPT, как показано на.

Сегментация и количественная оценка данных OPT

Поскольку одновременно можно просматривать только часть трехмерной информации, полезно иметь методы для автоматического извлечения и измерения таких объектов, как трехмерные домены и их контуры. Эти домены могут соответствовать, например, морфологическим признакам, таким как листья, жилки и трихомы.Различные типы количественной информации могут быть получены из доменов, таких как их положение, объем, площадь поверхности или длина. Например, внешнюю поверхность листа можно извлечь из наборов данных OPT (). Как только этот поверхностный домен был идентифицирован, стало возможным выделить отдельные трихомы как субдомены. Это позволило визуализировать распределение трихом в листе, показывая поверхность листа без трихом () или трихомы без листа ().

Выделение морфологических ориентиров.

(A) Объемный вид флуоресценции OPT листа Arabidopsis (метамер 3; 12 дней от посева) (фильтр GFP1). Хотя объемные данные содержат информацию о трихомах и типе жилкования, их трудно увидеть в этом представлении.

(B) Поверхность, извлеченная из тех же данных, что и для (A) . Трихомы теперь хорошо видны на поверхности листа.

(C) — (H) Используя информацию из (A) и (B) , можно извлекать пластинки и трихомы отдельно.Поверхность каждого компонента визуализирована для более четкой визуализации.

(В) Пластинка листа без трихом.

(D) Трихомы без пластинки.

(E) Только вены.

(F) Сочетанная пластинка, трихомы и жилки.

(G) Визуализация поверхности одного трихома.

(H) Основные оси трихома, показанные на рисунке (G) с углами, вычисленными между каждой ветвью (от b1 до b2, 89 °; от b2 до b3, 101 °; и от b3 до b1, 100 °).

Штанги = 1140 мкм в (A) от до (F) и 40 мкм (G) и (H) .

Помимо внешних поверхностей, внутренние домены, такие как вены, могут быть извлечены с помощью алгоритмов наращивания области (). Виды также можно комбинировать, чтобы показать трихомы и жилки, выделенные в контексте листа в целом (). Одним из преимуществ идентификации доменов трихома таким способом является то, что их положение и ориентация могут быть автоматически определены количественно вплоть до клеточного масштаба ().Кроме того, можно было измерить углы ветвей трихома, вычислив углы между каждой ветвью. Например, трихома, показанная на рисунке, имела углы 89 ° между ветвью 1 и ветвью 2, 101 ° между ветвью 2 и ветвью 3 и 100 ° между ветвью 3 и веткой 1.

Также можно было автоматически измерить расстояние между трихомами вдоль поверхность листа (). Позиции трихом были извлечены для листа, показанного на. Регистрировали положение оснований трихом и извлекали расстояния в микрометрах вдоль трехмерной поверхности листа ().Было обнаружено, что трихомы расположены на расстоянии от 54 до 299 мкм, а среднее расстояние составляет 164 мкм.

Карта распространения трихом.

Извлеченный образец трихома для листа, показанного на. Основания трихом были извлечены (желтые точки), и их разделение по поверхности листа обозначено (оранжевые линии). Расстояния рассчитывались по трехмерной поверхности листа (см.) В микрометрах. Расстояния между основаниями трихомов варьировались от 54 до 299 мкм, при среднем расстоянии 164 мкм.

Домены также могут соответствовать паттернам экспрессии генов. Например, области, экспрессирующие ген маркера вен Arabidopsis thaliana Homeobox Gene8 ( ATHB8 ), могут быть извлечены с использованием алгоритмов выращивания области (to). Это дало тот же результат, что и извлечение вен из неокрашенной ткани (), но позволило извлечь более ранние стадии развития вены (). Объем венозных доменов может быть определен количественно на обеих стадиях развития. Домен жилок на одном из молодых листьев, показанных на рисунке, равен 3.2 × 10 ⁴ мкм ³ и занимала 8% объема листа. Для сравнения, жилка более старого листа, показанного на рисунке, была 5 × 10 ⁷ мкм ³ и занимала 8,7% объема листа. Общий объем листа увеличился в 1425 раз от молодого листа (4 × 10 ⁵ мкм ³ ) до старого листа (5,7 × 10 ⁸ мкм ³ ). Таким образом, доля листа, занятого жилками, осталась одинаковой, хотя общий объем зрелого листа сильно увеличился.Это указывает на то, что жилка и рост листа тесно связаны. Точно так же области, экспрессирующие ген LFY , могут быть извлечены и интерактивно рассмотрены как домены экспрессии. Это позволило классифицировать и закодировать домены экспрессии в соответствии с положением метамера, выявляя домены глубоко внутри образца и ранее закрытые другими тканями (). Также можно вычислить объемы и линейные размеры доменов. Например, домен экспрессии LFY , показанный в метамере 7, имел объем 7.5 × 10 ⁴ мкм ³ (). Области экспрессии DEF в цельных изображениях in situ также могут быть извлечены на различных этапах разработки. Затем домены сигнала DEF с разной интенсивностью могут отображаться отдельно для каждой стадии развития ().

Извлечение паттернов экспрессии генов из наборов трехмерных данных.

(A) Объемный вид OPT зрелого листа ATHB8: GUS Arabidopsis , окрашенного для выявления активности GUS (метамер 2; 9 дней после посева).Использовались комбинированные трансмиссионные и флуоресцентные (GFP1) OPT каналы. Бар = 200 мкм.

(B) Сигнал GUS, извлеченный с использованием инструментов полуавтоматической сегментации, выявляющий экспрессию ATHB8: GUS в венах.

(C) Объемный вид OPT молодого ATHB8: GUS рассеченного сеянца (метамеры 2 и 3; 4 дня от посева). Использовались комбинированные каналы передачи и флуоресценции (GFP1). Семядоли удалены, и видны первые настоящие листья. Бар = 60 мкм.

(D) ATHB8 Образец жилкования, извлеченный из (C) .

(E) Объемный вид OPT меристемы LFY: GUS Arabidopsis с выделенными доменами экспрессии. Экспрессия генов была сегментирована как отдельные домены для каждого метамера и соответственно обозначена цветом. Бар = 45 мкм.

(F) Домены, показанные в (E) , отображаются без окружающих тканей. LFY: Выявлено окрашивание GUS , расположенное глубже в объеме.Цветовая кодировка: m7, синий; m8, бирюза; m9, розовый; m10, темно-зеленый; m11, ярко-зеленый; м12, оранжевый.

(G) Объемный вид OPT экспрессии DEF в соцветии Antirrhinum . Цветочные бутоны маркируются последовательно, причем цветок 1 является наиболее зрелым в этой серии. Цветки расположены спиралевидной филлотаксией; цветок 3 перекрывается цветком 4 на этом виде. Бар = 350 мкм.

(H) Цветы из (G) были обрезаны и сегментированы, при этом интенсивное выражение DEF было закодировано зеленым цветом, а более слабое выражение отображено желтым.Цветок 1, поздняя стадия 5 (без чашелистиков). DEF экспрессируется в зачатках лепестков и тычинок. Цветок 2, средняя стадия 5. DEF сильно выражен в формирующихся зачатках лепестков и тычинок. Цветок 3, ранняя стадия 5. Экспрессия DEF находится в кольце формирующихся лепестков и зачатков тычинок. Цветок 4, стадия 4. DEF выражается в области, где позже разовьются лепестки и тычинки. Бар = 350 мкм.

ОБСУЖДЕНИЕ

OPT — удобный метод для визуализации морфологии растений и активности генов в 3D.Можно легко получить данные по целому ряду образцов, включая зародыши, семена, проростки, меристемы, листья и цветы. Данные могут быть получены и визуализированы в различных масштабах, от целых растений Arabidopsis до крупных отдельных клеток. В некоторых случаях также возможно генерировать OPT-изображения из живых образцов по мере их роста. Используя соответствующую комбинацию световых каналов, маркеров и красителей, можно выделить определенные морфологические, гистологические и генные домены экспрессии.Эти домены можно легко идентифицировать и исследовать, что позволяет проводить количественный статистический анализ в 3D таких функций, как трихомы и паттерны экспрессии генов, с использованием программного обеспечения, разработанного для анализа изображений OPT.

Возможность отображать растения и образцы экспрессии в различных масштабах в 3D открывает новые области для экспериментальной атаки. Во-первых, можно получить точную статистику по форме и положению структур и доменов экспрессии на разных стадиях развития. Это может предоставить важные количественные данные для анализа взаимосвязи между ростом и формированием паттерна.Например, хотя были проведены обширные молекулярно-генетические исследования трихом и расстояния между устьицами (Nadeau and Sack, 2002; Geisler et al., 2003; Kirik et al., 2004), у нас нет количественных данных о распределении по листу как целое на разных стадиях развития для растений дикого типа или мутантных растений. Такая информация позволит тщательно оценить предлагаемые механизмы формирования паттерна и роста. Более того, взаимосвязи между различными доменами, такими как расположение трихом и вен, можно легко исследовать и количественно оценить.

Во-вторых, гораздо проще и точнее количественно определить экспрессию генов и морфологические домены. Количественная оценка и сравнение доменов на основе двухмерных сечений зависит от возможности воссоздать те же плоскости сечения, а это трудоемкая задача. Например, предыдущее исследование формирования сосудистого паттерна у Arabidopsis включало ручное выравнивание и отслеживание многочисленных серийных секций растений ATHB8: GUS (Kang et al., 2003). С OPT аналогичную информацию можно получить из одного 3D-изображения.Более того, можно получить количественные данные, такие как объем жилок и листьев, которые позволяют связать рост различных структур. Еще одно преимущество состоит в том, что каждый метамер можно легко идентифицировать, что позволяет стандартизировать стадии развития каждого листа и почек вдоль главной оси растения.

Наконец, использование OPT для получения изображений в реальном времени открывает возможность мониторинга и количественной оценки трехмерного роста тканей и клеток с течением времени. В сочетании с визуализацией доменов экспрессии с помощью маркеров, таких как GFP, это позволит количественно оценивать растущие домены от клеточного до уровня органов и растений, дополняя исследования, которые недавно были выполнены с использованием конфокальной микроскопии (Grandjean et al., 2004; Heisler et al., 2005).

МЕТОДЫ

Растительный материал

Antirrhinum majus растения выращивали в теплице. Arabidopsis thaliana. растения выращивали в камере для выращивания при постоянном освещении при 25 ° C.

Номенклатура и стадия растений

Возраст растений указывается в днях после посева. Растение Arabidopsis рассматривали как серию метамеров, каждый из которых состоит из трех модулей: пазушной меристемы, прилегающего листа (если присутствует) и опорного междоузлия.На главной оси растения одна семядоля была обозначена как m0, другая — как m1, а метамеры над ней были последовательно пронумерованы от m2, m3, до m и , независимо от органа в этом положении (Mundermann et al. , 2005). Antirrhinum цветков выращивали, как описано ранее (Vincent and Coen, 2004).

Окрашивание GUS

Репортерный ген GUS ( uidA , кодирующий β-глюкуронидазу Escherichia coli [Jefferson et al., 1987]) использовали для гистохимической локализации активности GUS.Использовали конструкции LEAFY: GUS (Blazquez et al., 1997), ATHB8: GUS (Kang et al., 2003) и GL2: GUS (Masucci et al., 1996). GL2: семена GUS были получены от John Schielefbein. Свежую ткань рассекали и инкубировали в темноте при 37 ° C в течение ночи в 1 мМ 5-бром-4-хлор-3-индолил-β-d-глюкуроновой кислоте с 0,5 мМ ферроцианидом калия и 0,5 мМ феррицианидом калия. Окрашенные образцы промывали деионизированной водой и замачивали в 95% этаноле, чтобы очистить ткань от хлорофилла.

Целостная гибридизация in situ

Antirrhinum были собраны цветочные соцветия длиной ~ 1 см и рассечены для удаления прицветников и чашелистиков. Гибридизацию in situ проводили, как описано Coen et al. (1990) и адаптированы Десмондом Брэдли (Центр Джона Иннеса) для цельных образцов. Фиксированную ткань в 100% этаноле повторно гидратировали с помощью серии этанола и инкубировали в ацетоне в течение 30 минут, в PBS в течение 1 часа, в уксусном ангидриде / триэтаноламине в течение 30 минут и в течение двух промывок в PBS в течение 10 минут.Зонд для обнаружения транскрипта DEF представлял собой фрагмент Bam HI- Hin dIII из DEF A (Sommer et al., 1990), линеаризованный с помощью Hin dIII, длиной 370 п.н. Зонд готовили и гибридизовали в течение ночи при 50 ° C, как описано Coen et al. (1990). После гибридизации образцы трижды промывали 2 × SSC (1 × SSC — 0,15 M NaCl и 0,015 M цитрат натрия) и 50% формамидом при 50 ° C в течение 2 часов каждая, две промывки NTE (1 × NTE — 0,5 M NaCl, 10 мМ трис-HCl, pH 7.5 и 10 мМ ЭДТА) при 37 ° C в течение 30 мин каждая, одна отмывка NTE и РНКазы при 37 ° C в течение 1 ч, две отмывки NTE при комнатной температуре в течение 30 минут каждая, одна отмывка 2 × SSC и 50 % формамида при 50 ° C в течение 2 часов, одна промывка 1 × SSC при комнатной температуре в течение 5 минут и одна промывка PBS при комнатной температуре в течение 30 минут. Блокирование осуществлялось, как описано Coen et al. (1990) с увеличенным инкубационным периодом до 4 ч. После блокировки образцы инкубировали в течение ночи с анти-дигоксигенин-щелочной фосфатазой при 4 ° C. Затем их промывали при комнатной температуре один раз 100 мМ трис-HCl, 150 мМ NaCl, 1% BSA и 0.3% тритона в течение 20 минут, один раз со 100 мМ трис-HCl и 150 мМ NaCl в течение 20 минут и один раз со 100 мМ трис-HCl, 150 мМ NaCl и 50 мМ MgCl ₂ , pH 9,5, в течение 30 минут. Окрашивание антител осуществляли, как описано Coen et al. (1990) с инкубацией от 5 до 12 ч.

Подготовка образцов для OPT

Образцы для OPT-анализа обычно фиксировали в 4% параформальдегиде и 0,1% твине / 0,1% тритоне с последующими этапами дегидратации продолжительностью 3 часа каждая через серию этанола / 0,85% физиологического раствора (50, 70, 85, 95 и, наконец, 100% этанол, после чего образец оставляли на ночь при 4 ° C).В качестве альтернативы образцы инкубировали в течение ночи в 100% этаноле без фиксации. Arabidopsis проростков моложе 4 дней после посева и образцов размером <300 мкм окрашивали шафранином (0,3% в 100% этаноле) при 4 ° C в течение ночи для усиления флуоресценции тканей с последующим обесцвечиванием до 1 ч в 100% этаноле. Образцы регидратировали серией этанола (70, 50, 30 и 10% этанол в течение 30 минут каждый при комнатной температуре). Регидратированные образцы заключали в 1% агарозу с низкой температурой плавления, как описано ранее (Sharpe et al., 2002). Залитые образцы обезвоживали в течение ночи в метаноле и очищали в смеси 1: 2 бензилового спирта и бензилбензоата (Sigma-Aldrich) в течение 2–24 ч до почти прозрачного состояния. Сильный сигнал и резкие границы экспрессии, наблюдаемые вокруг трихом, указывают на то, что диффузия пятен в очищающем агенте бензилового спирта и бензилбензоата ограничена.

Для живых OPT семена Arabidopsis помещали в 1% агарозу с низкой температурой плавления, стратифицировали в течение 3 дней при 4 ° C и давали прорасти в камере для выращивания с 16 часами света при 20 ° C.Когда проросткам исполнилось 3 дня, их поместили в сканер OPT, в котором происходил дальнейший рост.

OPT Scanning

Изображения встроенных растительных тканей были получены с использованием прототипа OPT-устройства, сконструированного в Отделе генетики человека Совета медицинских исследований (Эдинбург, Великобритания) (Sharpe et al., 2002) и установленного в Центре Джона Иннеса. Образцы вращали на 360 ° с помощью шагового двигателя с шагом 0,9 ° на микроскопе Leica MZ FLIII, используя планапо 0,63 × M-серии или план 0.Объектив серии 5 × M, через адаптер 1 × C-mount, с ртутной горелкой мощностью 100 Вт для флуоресцентной визуализации (Leica Microsystems). Изображения были записаны с помощью камеры Coolsnap CF (Roper Scientific, Photometrics), управляемой программным обеспечением для обработки изображений IPLab (Scanalytics) (Sharpe et al., 2002). Были использованы следующие фильтры Leica: TXR, возбуждение 560/40 нм, эмиссия 610 LP нм, для ткани, окрашенной сафранином, и автофлуоресценции; GFP1, возбуждение 425/60 нм, эмиссия 480 нм; Зеленый, возбуждение 546/10 нм, барьер 590 нм; и GFP2, возбуждение 480/40 нм, эмиссия 510 нм для аутофлуоресценции ткани.Изображения пропускания видимого света были получены с помощью галогенной лампы мощностью 20 Вт, подключенной к устройству OPT. Инфракрасные светофильтры (700, 750 и 800 нм) уменьшали темновой сигнал в сильно окрашенных образцах. Размер вокселя был рассчитан на основе объектива микроскопа и использованного увеличения и подтвержден реконструкциями калибровочного штифта известного размера. Были получены размеры вокселей при каждом увеличении, а линейные измерения и измерения объема доменов были собраны с помощью QtVolView. Данные для образца, показанного в, были получены с использованием сканера OPT Scanner 3001 (Bioptonics, MRC Technology).Реконструкция изображений OPT проводилась, как описано ранее (Sharpe et al., 2002).

Для живых OPT прорастающие проростков Arabidopsis сканировали в воде. Изображения пропускания видимого света были получены с несколькими интервалами в течение 72 часов. Качество 3D-изображений отсканированных с помощью воды корней Arabidopsis было лучше, чем 3D-данных, полученных для корней, закрепленных и обработанных очищающим агентом, хотя внутренние детали через плотные области, такие как кожура семян, были снижены.

Визуализация и сегментация

Программный пакет, названный QtVolView, был разработан для отображения комбинированных изображений, визуализированных объемом, поверхностью и сечениями. Программа использует графическое оборудование для более быстрого и интерактивного просмотра трехмерных данных. Интерактивный просмотр образцов был достигнут путем аппроксимации объемов как серии параллельных четырехугольных срезов, выровненных по виду. На отдельные срезы были нанесены текстуры с соответствующими объемными данными и смешаны вместе, чтобы получить трехмерный объемный вид, как описано Блайтом (1998).Видимость визуализаций была улучшена с помощью определяемых пользователем передаточных функций, улучшения контуров (Jain, 1989) и освещения по вокселям (Ebert and Rheingans, 2001). Размытие по Гауссу и пороговая обработка также использовались для удаления шума при сканировании. До трех каналов фильтров сканирования OPT были объединены в одном трехмерном пространстве. Каждый канал может быть независимо ограничен и опрошен. Базовая версия программы представлена ​​онлайн с дополнительными данными, а полная версия QtVolView доступна по запросу.

Сегментация трихом для листа Arabidopsis была достигнута с использованием полуавтоматического алгоритма выращивания засеянной области (отдельное программное обеспечение от QtVolView). Это было применено к поверхностному изображению листа. Чтобы получить представление поверхности, был применен алгоритм марширующих кубов (Lorenson and Cline, 1987). Затем к поверхности был применен алгоритм кластеризации нормалей к поверхности, основанный на среднем сдвиге (Yamauchi et al., 2005). Затем трихомы были дифференцированы от остальной поверхности с использованием алгоритма наращивания области.Чтобы инициализировать алгоритм роста области, пользователь выбрал вершину нетрихома в качестве начальной точки. Затем алгоритму было разрешено распространяться путем обхода кромки и члена кривизны, определенного как угол между нормалями двух вершин кромки. Указав этот член кривизны, алгоритм наращивания области смог достичь желаемой сегментации. Дальнейшая обработка отдельных трихом с использованием анализа главных компонентов (http://www.cs.otago.ac.nz/cosc453/student_tutorials/principal_components.pdf) (Pearson, 1901), а кластеризация k-средних была использована для извлечения ветвей трихома (http://fconyx.ncifcrf.gov/∼lukeb/kmeans.html) (MacQueen, 1967).

Расстояния между трихомами были получены путем первого выполнения триангуляции Делоне по положениям оснований трихом (www.qhull.org). Затем точки на поверхности листа, расположенные ближе всего к краям треугольника, получали путем отбора проб по краям с постоянными интервалами. Эти точки были снабжены кривой B-сплайном, чтобы получить плавный путь вдоль поверхности листа для каждого соседнего основания трихома.Затем были рассчитаны длины B-сплайновых кривых для определения расстояний между основаниями трихом.

Для сегментации экспрессии генов и жилок в QtVolView был включен алгоритм роста области в сочетании с получением информации (Jain, 1989; Singh et al., 2004). Рисунки были составлены с помощью Adobe Photoshop CS.

QtVolView Movies

Видеофильмы с изображениями, проиллюстрированными в, предоставляются как Дополнительные фильмы с 1 по 14 онлайн. Все фильмы были получены из QtVolView с размером изображения 256 × 256 × 256 пикселей, если не указано иное.

Программа QtVolViewLITE

Программа QtVolViewLITE поставляется с реконструированным набором данных OPT, показанным на рисунке, чтобы обеспечить визуализацию и прямое взаимодействие с трехмерными данными (http://www.cmp.uea.ac.uk/Research/cbg/downloads .htm). Минимальные системные требования для программы QtVolViewLITE: процессор с тактовой частотой 3,0 ГГц, 2 ГБ оперативной памяти и графическая карта на 256 МБ. Полная программа QtVolView доступна по запросу.

Номера доступа

LEAFY: GUS (Blazquez et al., 1997) семена были получены из Nottingham Arabidopsis Stock Center (NASC), ссылка N6297. ATHB8: семена GUS (Kang et al., 2003) были получены из ссылки NASC N296.

Дополнительные данные

Следующие материалы доступны в онлайн-версии этой статьи.

• Дополнительный фильм 1. Фильм для рисунков 1A и 2A.

• Дополнительный фильм 2. Фильм для рисунков 1С и 2С.

• Дополнительный фильм 3. Фильм для рисунков 1D и 2D.

• Дополнительный ролик 4. Фильм для рисунка 3F.

• Дополнительный фильм 5. Фильм для рисунка 4A.

• Дополнительный ролик 6. Фильм для рисунка 4B.

• Дополнительный фильм 7. Фильм для рисунка 5B.

• Дополнительный фильм 8. Фильм для рисунка 5D.

• Дополнительный фильм 9. Ролик для рисунка 6А.

• Дополнительный фильм 10. Фильм для рисунков 8A и 8B.

• Дополнительный фильм 11. Фильм для фигур 8C и 8D.

• Дополнительный ролик 12. Фильм для фигур 8E и 8F.

• Дополнительный фильм 13. Фильм для рисунка 8G.

• Дополнительный фильм 14. Фильм для рисунка 8H, Цветок 1.

Благодарности

Мы благодарим Ричарда Болдока, Дункана Дэвидсона, Билла Хилла и Эллисон Росс из Edinburgh Mouse Atlas Group за их неоценимую поддержку и за предоставление нам программного обеспечения Mouse Atlas и экспертных знаний.Мы также благодарим команду Bioptonics за использование прототипа OPT Scanner 3001 для получения изображения OPT, показанного на рис. Стив Роусторн (Центр Джона Иннеса) предоставил кремний Arabidopsis , показанный в. Мы также благодарим Десмонда Брэдли за советы по методам цельного крепления in situ и Пола Дербишира за советы по росту корней.

Ссылки

• Baldock, R.A., et al. (2003). EMAP и EMAGE: структура для понимания пространственно организованных данных. Нейроинформатика 1 309–325.[PubMed] [Google Scholar]
• Бласкес, М.А., Соовал, Л.Н., Ли, И., и Вейгель, Д. (1997). Экспрессия LEAFY и начало цветения у Arabidopsis. Разработка 124 3835–3844. [PubMed] [Google Scholar]
• Blythe, D. (1998). Расширенные методы программирования графики с использованием OpenGL. SIGGRAPH 1998 Курс. (Нью-Йорк: ACM Press).
• Брайсон-Ричардсон, Р.Дж., и Карри, П.Д. (2004). Оптическая проекционная томография для пространственно-временного анализа у рыбок данио. Методы Cell Biol. 76 37–50.[PubMed] [Google Scholar]
• Коэн, Э.С., Ромеро, Дж. М., Дойл, С., Эллиотт, Р., Мерфи, Г., и Карпентер, Р. (1990). Floricaula: гомеотический ген, необходимый для развития цветка у Antirrhinum majus . Cell 63 1311–1322. [PubMed] [Google Scholar]
• Эберт Д. и Рейнганс П. (2001). Объемная иллюстрация: нефотореалистичная визуализация объемных моделей. IEEE Trans. Vis. Comput. График. 7 253–264. [Google Scholar]
• Fiala, J.C. (2005). Reconstruct: бесплатный редактор для серийной секционной микроскопии.J. Microsc. 218 52–61. [PubMed] [Google Scholar]
• Gambhir, S.S., et al. (1999). Визуализация экспрессии репортерного гена, направленного аденовирусом, у живых животных с помощью позитронно-эмиссионной томографии. Proc. Natl. Акад. Sci. США 96 2333–2338. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Geisler, M.J., Deppong, D.O., Nadeau, J., and Sack, F.D. (2003). Полярность и деление соседних устьичных клеток у Arabidopsis . Planta 216 571–579. [PubMed] [Google Scholar]
• Grandjean, O., Vernoux, T., Laufs, P., Belcram, K., Mizukami, M., and Trass, J. (2004). Анализ in vivo клеточного деления, роста и дифференцировки клеток апикальной меристемы побега Arabidopsis. Растительная клетка 16 74–87. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Greive, K., Dubois, A., Simonutti, M., Paques, M., Sahel, J., Le Gargasson, J.-F., and Boccara , С. (2005). In vivo Визуализация переднего сегмента глаза крысы с помощью высокоскоростной полнопольной оптической когерентной томографии в белом свете.Опт. Express 13, 6286–6295. [PubMed] [Google Scholar]
• Gustafsson, M.G.L. (2005). Нелинейная микроскопия со структурированным освещением: широкопольная флуоресцентная визуализация с теоретически неограниченным разрешением. Proc. Natl. Акад. Sci. USA 102 13081–13086. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Haseloff, J., Siemering, K.R., Prasher, D.C., and Hodge, S. (1997). Удаление загадочного интрона и субклеточная локализация зеленого флуоресцентного белка необходимы для яркой маркировки трансгенных растений Arabidopsis.Proc. Natl. Акад. Sci. USA 94 2122–2127. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Heisler, M.G., Ohno, C., Das, P., Sieber, P., Reddy, G.V., Long, J.A., and Meyerowitz, E.M. (2005). Паттерны транспорта ауксина и экспрессии генов во время развития зачатков, выявленные при визуализации меристемы соцветий Arabidopsis в реальном времени. Curr. Биол. 15 1899–1911. [PubMed] [Google Scholar]
• Hettinger, J.W., de la Pena Mattozzi, M., Myers, W.R., Williams, M.E., Reeves, A., Парсонс, Р.Л., Хаскелл, Р.К., Петерсен, округ Колумбия, Ван, Р., и Медфорд, Дж. (2000). Оптическая когерентная микроскопия. Технология быстрой неразрушающей визуализации in vivo растений и растительных клеток. Plant Physiol. 123 3–16. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Холбрук, Н.М., Аренс, Э.Т., Бернс, М.Дж., и Цвенецки, М.А. (2001). Наблюдение in vivo заживлением кавитации и эмболии с помощью магнитно-резонансной томографии. Plant Physiol. 126 27–31. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Huisken, J., Swoger, J., Del Bene, F., Wittbrodt, J., Stelzer, E.H.K. (2004). Оптические срезы глубоко внутри живых эмбрионов с помощью микроскопии с селективным освещением. Наука 305 1007–1009. [PubMed] [Google Scholar]
• Джайн, А.К. (1989). Основы цифровой обработки изображений. (Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Прентис-Холл).
• Джефферсон, Р.А., Кавана, Т.А., и Беван, М.В. (1987). Слияния GUS: бета-глюкуронидаза как чувствительный и универсальный маркер слияния генов у высших растений. EMBO J. 6 3901–3907.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Jönsson, H., Heisler, M., Shapiro, B., Meyerowitz, E., and Mjolsness, E. (2006). Модель поляризованного транспорта, управляемая ауксином, для филлотаксиса. Proc. Natl. Акад. Sci. USA 103, 1633–1638. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Канг Дж., Тан Дж., Доннелли П. и Денглер Н. (2003). Первичный сосудистый паттерн и экспрессия ATHB-8 в побегах Arabidopsis. Новый Фитол. 158 443–454. [Google Scholar]
• Кервин, Дж., Скотт, М., Шарп, Дж., Пуэллес, Л., Робсон, С.К., Мартинес-де-ла-Торре, М., Ферран, Дж. Л., Фенг, Г., Болдок, Р., Страчан, Т., Дэвидсон, Д., и Линдси, С. (2004). Трехмерное моделирование раннего развития человеческого мозга с помощью оптической проекционной томографии. BMC Neurosci. 5 27. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Кирик, В., Саймон, М., Хуэльскэмп, М., и Шифельбейн, Дж. (2004). Ген ENHANCER OF TRY И CPC1 действует дублированно с TRIPTYCHON и CAPRICE в формировании паттерна трихомных и корневых волосковых клеток у арабидопсиса . Dev. Биол. 268 506–513. [PubMed] [Google Scholar]
• Lickert, H., Takeuchi, JK, von Both, I., Walls, JR, McAuliffe, F., Adamson, SL, Henkelman, RM, Wrana, JL, Rossant, J., и Бруно, BG (2004). Baf60c необходим для функционирования комплексов ремоделирования хроматина BAF в развитии сердца. Природа 432 107–112. [PubMed] [Google Scholar]
• Линдси, С., и Копп, А.Дж. (2005). Ресурс MRC-Wellcome Trust по биологии развития человека: возможность изучения тенденций в генетике, связанной с экспрессией генов развития человека.Тенденции Genet. 21 586–590. [PubMed] [Google Scholar]
• Линдси, С., Сарма, С., Мартинес-Де-Ла-Торре, М., Кервин, Дж., Скотт, М., Ферран, Дж. Л., Болдок, Р. и Пуэллес, Л. (2005). Анатомическое картирование и отображение экспрессии генов вентрального манжета в трехмерной модели развивающегося мозга человека. Неврология 136 625–632. [PubMed] [Google Scholar]
• Лю, Ю.С., и Чан, А.С. (2003). Конфокальное изображение высокого разрешения и трехмерный рендеринг. Методы 30 86–93. [PubMed] [Google Scholar]
• Lorenson, W.Э. и Клайн Х. (1987). Марширующие кубы: алгоритм построения трехмерной поверхности с высоким разрешением. В материалах 14-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным методам. (Нью-Йорк: ACM Press), стр. 163–169.
• Луи, А.Ю., Хубер, М.М., Аренс, Э.Т., Ротбахер, У., Моутс, Р., Джейкобс, Р.Э., Фрейзер, С.Э., и Мид, Т.Дж. (2000). Визуализация экспрессии генов in vivo с помощью магнитно-резонансной томографии. Nat. Biotechnol. 18 321–325. [PubMed] [Google Scholar]
• MacQueen, J.(1967). Некоторые методы классификации и анализа многомерных наблюдений. В материалах пятого симпозиума Беркли по математической статистике и вероятности. (Беркли, Калифорния: Калифорнийский университет Press), стр. 281–297.
• Masucci, J.D., Rerie, W.G., Foreman, D.R., Zhang, M., Galway, M.E., Marks, M.D., and Schiefelbein, J.W. (1996). Ген гомеобокса GLABRA 2 необходим для позиционно-зависимой дифференцировки клеток в эпидермисе корня Arabidopsis thaliana. Разработка 122 1253–1260.[PubMed] [Google Scholar]
• Mundermann, L., Erasmus, Y., Lane, B., Coen, E., and Prusinkiewicz, P. (2005). Количественное моделирование развития Arabidopsis . Plant Physiol. 139 960–968. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Надо, Дж. А., и Сак, Ф. Д. (2002). Контроль устьичного распределения на поверхности листа Arabidopsis . Наука 296 1697–1700. [PubMed] [Google Scholar]
• Пирсон, К. (1901). На линиях и плоскостях, наиболее приближенных к системам точек в пространстве.Филос. Mag. 2, 559–572. [Google Scholar]
• Reeves, A., Parsons, R.L., Hettinger, J.W., and Medford, J.I. (2002). Трехмерное изображение растений in vivo с помощью оптической когерентной микроскопии. J. Microsc. 208 177–189. [PubMed] [Google Scholar]
• Ruijter, J.M., Soufan, A.T., Hagoort, J., and Moorman, A.F. (2004). Молекулярная визуализация эмбрионального сердца: басни и факты о трехмерной визуализации паттернов экспрессии генов. Врожденные дефекты Res. Часть C «Эмбрион сегодня» Ред. 72 224–240. [PubMed] [Google Scholar]
• Сарма, С., Кервин, Дж., Пуэллес, Л., Скотт, М., Страчан, Т., Фенг, Г., Шарп, Дж., Дэвидсон, Д., Болдок, Р., и Линдси, С. (2005). Трехмерное моделирование, картирование экспрессии генов и анализ изображений после картирования в развивающемся человеческом мозге. Brain Res. Бык. 66 449–453. [PubMed] [Google Scholar]
• Sharpe, J. (2003). Оптическая проекционная томография как новый инструмент для изучения анатомии эмбриона. J. Anat. 202 175–181. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Sharpe, J. (2004). Оптическая проекционная томография.Анну. Преподобный Биомед. Англ. 6 209–228. [PubMed] [Google Scholar]
• Шарп, Дж., Альгрен, У., Перри, П., Хилл, Б., Росс, А., Хекшер-Соренсен, Дж., Болдок, Р., и Дэвидсон, Д. . (2002). Оптическая проекционная томография как инструмент для трехмерной микроскопии и изучения экспрессии генов. Наука 296 541–545. [PubMed] [Google Scholar]
• Сингх Х., Кроуфорд М., Куртин Дж. И Цвиггелаар Р. (2004). Автоматизированная трехмерная сегментация дерева дыхательных путей легких с использованием подхода роста области на основе усиления. Лект. Примечания Comput.Sci. 3217 975–982. [Google Scholar]
• Зоммер, Х., Бельтран, Ж.-П., Хейсер, П., Папе, Х., Лённиг, В., Седлер, Х., и Шварц-Зоммер, З. (1990). Deficiens , гомеотический ген, участвующий в контроле морфогенеза цветков в Antirrhinum majus : белок проявляет гомологию с факторами транскрипции. EMBO J. 9 605–613. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Stuppy, W.H., Maisano, J.A., Colbert, M.W., Rudall, P.J., and Rowe, T.B. (2003). Трехмерный анализ структуры растений с помощью рентгеновской компьютерной томографии высокого разрешения.Trends Plant Sci. 8 2–6. [PubMed] [Google Scholar]
• Takeuchi, J.K., et al. (2005). Tbx20 дозозависимо регулирует сети факторов транскрипции, необходимые для развития сердца и мотонейронов мыши. Разработка 132 2463–2474. [PubMed] [Google Scholar]
• Tickle, C. (2004). Вклад куриной эмбриологии в понимание развития конечностей позвоночных. Мех. Dev. 121 1019–1029. [PubMed] [Google Scholar]
• Tyszka, J.M., Ewald, A.J., Wallingford, J.B., and Fraser, S.Э. (2005). Новые инструменты для визуализации и анализа морфогенеза сферических эмбрионов. Dev. Дин. 234 974–983. [PubMed] [Google Scholar]
• Винсент, К.А., и Коэн, Е.С. (2004). Временная и морфологическая основа развития цветка Antirrhinum majus. банка. J. Bot. 82 681–690. [Google Scholar]
• Walls, J.R., Sled, J.G., Sharpe, J., and Henkelman, R.M. (2005). Коррекция артефактов в оптической проекционной томографии. Physiol. Med. Биол. 50 4645–4665. [PubMed] [Google Scholar]
• Wilkie, A.Л., Джордан, С.А., Шарп, Дж., Прайс, Д.Дж., Джексон, И.Дж. (2004). Широко распространенная тангенциальная дисперсия и обширная гибель клеток во время раннего нейрогенеза в неокортексе мышей. Dev. Биол. 267 109–118. [PubMed] [Google Scholar]
• Ямаути, Х., Ли, С., Ли, Ю., Отаке, Ю., Беляев, А., и Ханс-Петер, С. (2005). Функция чувствительной сегментации сетки со средним сдвигом. В Международной конференции по моделированию форм, 2005 г. (Кембридж, Массачусетс, США: IEEE), стр. 236–243.
• Zachgo, S., Perbal, M.-C., Saedler, H., и Schwarz-Sommer, Z. (2000). Анализ экспрессии РНК и белков in situ в целых растениях облегчает определение динамики экспрессии генов цветков. Плант Ж. 23, 697–702. [PubMed] [Google Scholar]

Определение формы в искусстве

Термин форма может означать несколько разных вещей в искусстве. Форма является одним из семи элементов искусства и ассоциируется с трехмерным объектом в пространстве. Формальный анализ произведения искусства описывает, как элементы и принципы произведения искусства вместе независимо от их значения и чувств или мыслей, которые они могут вызвать у зрителя.Наконец, форма форма также используется для описания физической природы произведения искусства, например, в металлической скульптуре, масляной живописи и т. Д.

При использовании в тандеме со словом art , как и в art form , оно также может означать средство художественного выражения, признанное изящным искусством, или нетрадиционное средство, выполненное настолько хорошо, искусно или творчески, что возвысит его до уровня Изобразительное искусство.

Элемент искусства

Форма — это один из семи элементов искусства, которые представляют собой визуальные инструменты, которые художник использует для создания произведения искусства.Кроме того, для формы они включают линию, форму, значение, цвет, текстуру и пространство. В качестве элемента искусства форма означает нечто трехмерное и включает объем, имеющий длину, ширину и высоту, в отличие от формы формы , которая является двумерной или плоской. Форма — это фигура в трех измерениях, которая, как и формы, может быть геометрической или органической.

Геометрические формы — это математические, точные формы, которым можно дать имена, как и у основных геометрических форм: сфера, куб, пирамида, конус и цилиндр.Круг становится сферой в трех измерениях, квадрат становится кубом, треугольник становится пирамидой или конусом.

Геометрические формы чаще всего встречаются в архитектуре и искусственной среде, хотя вы также можете найти их в сферах планет и пузырей и, например, в кристаллическом узоре снежинок.

Органические формы — это свободно текучие, извилистые, жилистые формы, которые не являются симметричными, не поддаются измерению или именованию. Чаще всего они встречаются в природе, например, в форме цветов, веток, листьев, луж, облаков, животных, фигуры человека и т. Д., но также можно найти в смелых и причудливых зданиях испанского архитектора Антонио Гауди (1852–1926), а также во многих скульптурах.

Форма в скульптуре

Форма наиболее тесно связана со скульптурой, поскольку это трехмерное искусство и традиционно почти в основном состоит из формы, с подчиненными цветами и фактурой. Трехмерные формы можно увидеть более чем с одной стороны. Традиционно формы можно было рассматривать со всех сторон, это называется скульптурой в круге или рельефом , в которых скульптурные элементы остаются прикрепленными к сплошному фону, в том числе барельеф , горельеф , затонувший рельеф .Исторически скульптуры делали по чьему-то подобию, в честь героя или бога.

Однако двадцатый век расширил значение скульптуры, возвестив концепцию открытых и закрытых форм, и значение продолжает расширяться сегодня. Скульптуры перестали быть просто репрезентативными, статичными, канцелярскими, формами с твердой непрозрачной массой, вырезанными из камня или смоделированными из бронзы. Скульптура сегодня может быть абстрактной, собранной из разных объектов, кинетической, изменяющейся со временем или сделанной из нетрадиционных материалов, таких как свет или голограммы, как в работах известного художника Джеймса Террелла.

Скульптуры условно можно охарактеризовать как закрытые или открытые формы. Закрытая форма дает ощущение того же, что и традиционная форма твердой непрозрачной массы. Даже если в форме существуют пространства, они ограничены и ограничены. Закрытая форма имеет направленный внутрь фокус на самой форме, изолированной от окружающего пространства. Открытая форма прозрачна, раскрывая ее структуру, и поэтому имеет более плавную и динамичную связь с окружающим пространством.Негативное пространство — важнейший компонент и активизирующая сила скульптуры открытой формы. Пабло Пикассо (1881–1973), Александр Колдер (1898–1976) и Хулио Гонсалес (1876–1942) — некоторые художники, которые создавали скульптуры открытой формы, сделанные из проволоки и других материалов.

Генри Мур (1898–1986), великий английский художник, который вместе со своей современницей Барбарой Хепворт (1903–1975) были двумя наиболее известными британскими скульпторами в современном искусстве, оба произвели революцию в скульптуре, первыми проникнув в форму скульптуры. их биоморфные (био = жизнь, морфические = форма) скульптуры.Она сделала это в 1931 году, и он сделал это в 1932 году, отметив, что «даже пространство может иметь форму» и что «дыра может иметь такое же значение формы, как и твердая масса».

Форма в рисовании и живописи

В рисовании и живописи иллюзия трехмерной формы передается за счет использования освещения и теней, а также передачи значения и тона. Форма определяется внешним контуром объекта, именно так мы сначала воспринимаем его и начинаем понимать его, но свет, ценность и тень помогают придать объекту форму и контекст в пространстве, чтобы мы могли полностью идентифицировать его. .

Например, если предположить, что на сфере находится единственный источник света, то блик — это то место, где источник света попадает напрямую; средний тон — это среднее значение на сфере, куда свет не попадает напрямую; основная тень — это область на сфере, куда свет вообще не попадает, и является самой темной частью сферы; отбрасываемая тень — это область на окружающих поверхностях, которая блокируется от света объектом; Отраженный свет — это свет, который отражается обратно на объект от окружающих предметов и поверхностей.Принимая во внимание эти рекомендации относительно света и затенения, любую простую форму можно нарисовать или раскрасить, чтобы создать иллюзию трехмерной формы.

Чем больше контраст по значению, тем более выраженной становится трехмерная форма. Формы, визуализируемые с небольшими вариациями значений, выглядят более плоскими, чем те, которые визуализируются с большими вариациями и контрастом.

Исторически сложилось так, что живопись прогрессировала от плоского представления формы и пространства к трехмерному представлению формы и пространства, к абстракции.Египетская живопись была плоской, человеческая фигура изображалась спереди, но голова и ноги были в профиль. Реалистическая иллюзия формы не возникла до эпохи Возрождения вместе с открытием перспективы. Художники эпохи барокко, такие как Караваджо (1571–1610), исследовали природу пространства, света и трехмерного восприятия пространства с помощью кьяроскуро, сильного контраста между светом и темнотой. Изображение человеческого тела стало намного более динамичным: светотень и ракурс придали формам ощущение прочности и веса и создавали мощное ощущение драматизма.Модернизм позволил художникам играть с формой более абстрактно. Такие художники, как Пикассо, с изобретением кубизма разрушили форму, чтобы обозначить движение в пространстве и времени.

Анализ произведения искусства

При анализе произведения искусства формальный анализ отделен от анализа его содержания или контекста. Формальный анализ означает применение элементов и принципов искусства для визуального анализа произведения. Формальный анализ может выявить композиционные решения, которые помогают усилить содержание, суть, значение произведения и замысел художника, а также дать подсказки относительно исторического контекста.

Например, чувства таинственности, трепета и превосходства, которые вызывают некоторые из самых устойчивых шедевров эпохи Возрождения, таких как Мона Лиза , (Леонардо да Винчи, 1517), Сотворение Адама, (Микеланджело, 1512). , Тайная вечеря (Леонардо да Винчи, 1498) отличаются от формальных композиционных элементов и принципов, таких как линия, цвет, пространство, форма, контраст, акцент и т. Д., Которые художник использовал для создания картины и которые способствуют его значение, эффект и вечное качество.

Ресурсы и дополнительная информация

• Форма , Музей Тейт, http://www.tate.org.uk/art/art-terms/f/form
• Искусство скульптуры , Энциклопедия искусства, http://www.visual-arts-cork.com/sculpture.htm
• Дыра жизни , Музей Тейт, http://www.tate.org.uk/context-comment/articles/hole-of-life
• Барбара Хепуорт против Генри Мура , CultureWhisper, https: // www.culturewhisper.com/r/article/preview/3670
• Работы Антонио Гауди , http://whc.unesco.org/en/list/320
• Фонд Генри Мура , https://www.henry-moore.org
• Барбара Хепворт , https://barbarahepworth.org.uk
• Джеймс Таррелл , http://jamesturrell.com

Ресурсы для учителей

Натуральные экстракты растений как кислотно-основной индикатор и определение их значения pKa

Обычно используемые индикаторы для кислотно-основного титрования являются синтетическими, и эта работа была направлена ​​на выявление экологически чистых природных индикаторов и определение их значений pKa.Аналитический потенциал экстрактов цветков очень многообещающий, что видно из его применения в кислотно-щелочной титриметрии. Было обнаружено, что эти отобранные цветочные экстракты лучше подходят для титрования сильного кислотно-сильного основания, чем слабого кислотно-сильного основания. Мы получили резкое и четкое изменение цвета от красного до коричневато-желтого для экстракта Bougainvillea glabra , от красного до желтого для экстракта Bauhinia purpurea и от красного до коричневато-желтого для экстракта Impatiens balsamina .Все три экстракта цветов дали отчетливое изменение цвета с помощью кислот и оснований, и изменение цвета поддерживалось с помощью различных кислот и оснований. Резкий контраст между их цветами в кислоте и основе сделал пигмент подходящим для использования в качестве кислотно-основных индикаторов. Поскольку эти цветочные экстракты имеют очень простую, экономичную, экологически чистую процедуру экстракции и отличные характеристики с резким изменением цвета в конечных точках титрования, можно было бы заменить стандартные индикаторы, используемые в обычных лабораториях, индикаторами естественных цветов.

1. Введение

Титрование — это наиболее распространенный лабораторный метод количественного химического анализа, который используется для определения концентрации аналита. Большинство современных лабораторий оснащены цифровыми автоматическими титраторами, которые оснащены датчиками (датчик pH / электрод напряжения), некоторые из них не требуют индикаторов, точность высока, а количество ошибок, связанных с человеческим фактором, также меньше, чем при традиционных методах титрования. Однако кинетические факторы, касающиеся химической реакции и реакции индикаторной системы, имеют первостепенное значение.Конфигурация ячейки, перемешивание и расположение детектора конечной точки и ввода титранта должны быть рассмотрены для обеспечения высокой точности. Поршневые бюретки и перистальтические насосы обычно используются в качестве устройств для автоматической перекачки титранта в автоматические титраторы. Поршневые бюретки очень надежны, но дороги, в то время как перистальтические насосы очень универсальны, но требуют частой калибровки из-за постоянных изменений физических свойств используемых гибких трубок и имеют относительно короткий срок службы [1].Стоимость автоматических титраторов вместе с недостатками, рассматриваемыми как основные препятствия для использования автоматических титраторов во многих развивающихся странах мира, и, следовательно, традиционные титриметрические методы все еще широко используются в аналитических и исследовательских лабораториях этих стран.

С тех пор, как мир стал осведомлен о проблемах окружающей среды, различные части растений, такие как цветы и листья, являются символическими и считаются символом любовных желаний. Таким образом, цветы — это чудо природы.Синтетические соединения сильно загрязняют окружающую среду, вредны, опасны и намного дороже как для исследовательской, так и для аналитической работы. Поэтому многие ученые всего мира активно проводят различные исследования в этой области натуральных продуктов, поскольку они менее опасны, дешевы, легкодоступны и экологичны [2].

Химические вещества обладают очевидным изменением цвета анализируемого вещества и реакционной смеси титранта, очень близко к точке текущего титрования, известной как индикатор, который помогает исследовать и определять точку эквивалентности при кислотно-основном титровании [3, 4] .Природные красители и пигменты растений — это сильно окрашенные вещества, которые могут менять цвет при изменении pH [5]. Цвета частей растений выражают их неповторимый характер. Некоторые органические и неорганические соединения ответственны за свойство окраски частей растения, такие как флавоноиды, флавонолы, ацилированные флавоноиды, антоцианы, глюкозилированный ацилированный антоцианин, хинины, имины, полиметины, нафтахиноны, антрахметиноноиды, индигидроциганы, дигидропиотераниды.[6]. Некоторые из этих соединений имеют разные цвета при разном pH, и, таким образом, это свойство можно использовать в качестве естественного индикатора. Индикатор pH — это просто слабое кислотно-слабое основание с разноокрашенными кислотными и сопряженными формами оснований. Синие и красные пигменты цветов были выделены и всесторонне изучены Вильштеттером в 1913 году. Были разработаны природные индикаторы, такие как лакмусовая бумажка, для указания конкретных уровней pH. Вещества в растительных продуктах, таких как чай, краснокочанная капуста или виноград, вступают в реакцию с кислотами или основаниями, что приводит к изменениям на молекулярном уровне, что приводит к различию их цвета при различных значениях pH.Сок краснокочанной капусты использовался как естественный индикатор pH [7]. Этот индикатор содержит антоцианин, пигмент которого по-разному реагирует на кислоты и основания [7].

Каждое соединение, которое может действовать как индикатор, имеет специфическое значение p K _и , и это важный физический параметр, указывающий на кислотность молекул. Для большинства индикаторов диапазон pH находится в пределах ± 1 от его значения p K _a . Целью данной работы было выявление экологически чистых природных индикаторов и определение их значений pKa.Для этого исследования использовали водные экстракты трех растений: Bougainvillea glabra, Impatiens balsamina, и Bauhinia purpurea .

Бугенвиллея глабра — вечнозеленый плетистый кустарник с колючими стеблями. Крошечные белые цветки обычно появляются группами, окруженными разноцветными бумажными прицветниками. Эти прицветники содержат одиннадцать типов пигментов бугенвиллей-v (бетацианин) [8].

Impatiens balsamina (садовый бальзам) произрастает в таких местах Южной Азии, как Индия, Шри-Ланка, Бангладеш и Мьянма.Это однолетнее растение высотой 20–75 см с толстым, но мягким стеблем. Листья расположены по спирали. Цветки розовые, красные, лиловые, лиловые или белые. Лепестки содержат антоцианидин и пеларгонидин в качестве красящих пигментов [9].

Bauhinia purpurea , пурпурная орхидея, — экзотическое тропическое дерево, которое цветет в течение длительного периода времени. Красивые и похожие на орхидеи цветы Bauhinia purpurea произрастают в Индии. Лепестки Bauhinia содержат красящие пигменты халкон и бутеин [10].

2. Материалы и методы

2.1. Приготовление экстрактов

Цветки зеленых растений Bougainvillea glabra и Impatiens balsamina были получены из сада Восточного университета, Ченкалади, Баттикалоа, Шри-Ланка, а цветок Bauhinia purpurea был получен из Thambiluvil, Ампара, Шри-Ланка. . Лепестки каждого цветка собирали, промывали дистиллированной водой и зажимали между подушечками впитывающей бумаги для удаления воды с поверхности.Свежие лепестки (5 г) каждого цветка переносили в химические стаканы (100 мл), содержащие 50 мл дистиллированной воды отдельно. Его нагревали до 50–60 ° С в течение 10 минут. Экстракты трех цветков разделяли фильтрованием через чистую фильтровальную бумагу Whatman® № 1 (размер пор 11 мкм мкм). Экстракты хранили в сухом и темном месте.

2.2. Кислотно-основное титрование

Три типа титрования, такие как сильное кислотно-сильное основание, сильное кислотно-слабое основание и слабое кислотно-сильное основание, были выполнены с использованием экстрактов цветов в качестве индикаторов, и их точность сравнивалась с коммерчески доступными синтетическими индикаторами, такими как как метиловый оранжевый, метиловый красный и фенолфталеин.Каждое титрование проводили в трех экземплярах.

2.3. Приготовление растворов с различным pH

Мерные колбы (50 мл) были помечены номерами от 1 до 10. В каждую колбу добавляли экстракт цветов (2,0 мл). Растворы 0,1 M Na ₂ HPO ₄ и 0,1 M KH ₂ PO ₄ также добавляли в каждую колбу, как указано в таблице 1. Каждый раствор разбавляли до метки дистиллированной водой. Эту процедуру повторили для всех трех экстрактов цветов [11].

2.4. Измерение pH растворов

pH каждого раствора измеряли с помощью зондов pH (PHC301), подключенных к откалиброванному многопараметрическому измерителю Hach hq40d.

Калибровка прибора: (I) зонд pH был подсоединен к прибору, и контргайка была установлена ​​правильно. Измеритель был включен. (II) После нажатия кнопки «калибровка» зонд был промыт деионизированной водой, и его осторожно без пузырьков воздуха поместили в стандартный буферный раствор pH при легком перемешивании. (III) Затем, « чтение ». (IV) Та же процедура (III) была проделана для каждого стандартного раствора pH. (V) Наконец, была нажата кнопка« Готово », и калиброванные данные были сохранены.

2,5. Спектрофотометрическое определение значений pKa индикаторов

Цветочный экстракт (2,0 мл), дистиллированная вода (10,0 мл) и 8 капель кон. HCl переносили в 50 мл мерную колбу, обозначенную как A , и раствор разбавляли до метки дистиллированной водой. Во вторую мерную колбу, обозначенную как B , переносили экстракт цветков (2,0 мл), дистиллированную воду (10,0 мл) и 24 капли 4 М NaOH, и раствор доводили до метки дистиллированной водой.Это было повторено для всех трех цветочных экстрактов.

Для этого исследования использовался спектрофотометр Biobase BK-D580. УФ-видимые спектры были получены между 300 и 800 нм для A и B каждого раствора экстракта цветов и для метилового красного. Была выбрана одна длина волны ( λ, ₁ ), при которой раствор A поглощает сильно, а раствор B — слабо, и вторая длина волны ( λ, ₂ ), при которой раствор A поглощает слабо, а раствор B — сильно.Наконец, абсорбция каждого набора из 10 растворов была сведена в таблицу относительно холостого раствора при выбранных длинах волн λ ₁ и λ ₂ (Таблица 2). Здесь холостой раствор включает все химические вещества и дистиллированную воду, кроме экстракта цветков [11–14].

Вышеупомянутая процедура была проделана для всех трех экстрактов цветов, и результаты их экспериментов сравнивались с индикатором метилового апельсина.

Индикаторы представляют собой слабое основание или слабую кислоту, которые имеют разные цвета при разном pH. Равновесная реакция индикатора показана в следующем уравнении [12]:

Большинство индикаторов представлены в виде HIn в растворе сильной кислоты и имеют соответствующий цвет HIn, тогда как в растворе сильного основания большинство индикаторов представлены в виде In ^— и имеют соответствующий цвет In ^— .

Равновесное выражение уравнения (1) может быть записано следующим образом: где K _a известно как константа диссоциации или константа равновесия индикатора, а [In ^— ] и [HIn] известны как концентрация основных и кислотных форм индикатора, соответственно:

Уравнение можно записать как

Значения отношения были определены из спектрофотометрических измерений, выполненных на двух длинах волн ( λ ₁ и λ ₂ ) чтобы построить график зависимости pH от.

Согласно закону Бера абсорбция при λ, ₁ и λ ₂ was, где — абсорбция, — молярная абсорбционная способность и — длина пути клетки.

При любом pH общая концентрация () как In ^— , так и HIn была постоянной, а сумма индивидуальных концентраций обеих форм:

В растворе с низким pH все индикаторы находятся в форме. В результате в сильнокислом растворе и

В растворе с высоким pH все индикаторы имеют вид [In ^— ].В результате в высокоосновном решении

, наконец, соотношение может быть определено путем деления отношения уравнений (5) — (8) на соотношение уравнений (6) — (9) [11, 12]:

3. Результаты и обсуждение

Все экстракты цветов имели разную окраску в кислых и основных растворах и имели разные самые высокие пики (макс. Лямбда) в сильнокислой и сильнощелочной среде (таблица 2). Было обнаружено, что конечные точки, определенные для кислотно-основного титрования с использованием экстрактов цветов в качестве индикаторов, очень похожи на таковые для стандартных индикаторов, используемых в лабораториях (таблица 3).

Значения p K _a для всех экстрактов цветов и метиловый оранжевый (для сравнения) рассчитывались непосредственно из пересечения графиков, как показано на рисунке 1.Значения R ² этих трех цветочных экстрактов, которые были выше (0,9551, 0,9569 и 0,9649), чем у индикатора метилового красного (0,9260), указывают на лучшую линейную зависимость для трех индикаторов цветов по сравнению с синтетическим индикатором, используемым для сравнение. Расчетные значения p K _a и диапазон pH для соответствующих индикаторов перечислены в таблице 4.

Изменение требуемых объемов титранта при использовании цветочных индикаторов для титрования сильным кислотно-сильным основанием составляет от 0.04–0,1, тогда как вариация синтетических индикаторов находится в диапазоне от 0,1 до 0,3. Для титрования сильной кислотой и слабым основанием изменение требуемого объема титранта составляло от 0,03 до 0,13, в то время как синтетические индикаторы показывают изменение от 0,46 до 1,56. В случае соединения слабая кислота-сильное основание вариации для синтетических индикаторов были очень высокими, так как индикатор метиловый оранжевый не подходит для титрования слабая кислота-сильное основание. Однако показатели метилового красного, Bauhinia purpurea и Impatiens balsamina показывают значение, очень близкое к стандартному показателю — фенолфталеину.Диапазон pH Bougainvillea glabra и Bauhinia purpurea очень близок к диапазону pH фенолфталеина (8,2–10,0). Метиловый апельсин не смог определить острые конечные точки для слабого кислотно-сильного основания, в то время как экстракты цветов Bougainvillea glabra и Bauhinia purpurea обнаруживают конечные точки более точно, чем синтетические индикаторы.

Эти индикаторы натуральных цветов очень важны в современных лабораториях, когда автоматические титраторы не могут титровать некоторые химически активные жидкости.Углеводород может реагировать с пластиковыми материалами, используемыми в цифровых титраторах, поэтому использовать эти современные цифровые измерители нельзя. В методах, предложенных Американским обществом испытаний и материалов, ASTM D974 и ASTM D5984, для определения основных компонентов в нефтепродуктах и ​​смазочных материалах используется титрование с цветным индикатором. Колориметрическое титрование использует визуальные изменения химического соединения, когда его среда меняется с кислой на щелочную. Другими словами, цвет этого индикатора изменится при pH, соответствующем точке перегиба.Метиловый красный используется в качестве индикатора, меняя свой цвет с пурпурного на желтый при pH, соответствующем точке перегиба. В ASTM D974, как и в D4739, в качестве титранта используется соляная кислота; смесь толуола и изопропилового спирта, содержащая небольшое количество воды, используется в качестве системы растворителей, а p -нафтолбензеин используется в качестве цветного индикатора, который имеет оранжевый цвет по кислоте и зелено-коричневый по основанию [15]. Эти синтетические индикаторы могут быть заменены индикаторами из натуральных цветов даже в современных лабораториях.

4. Выводы

Результаты, полученные в результате настоящего исследования, показывают, что аналитический потенциал экстрактов цветков очень многообещающий, что подтверждается их применением в кислотно-щелочной титриметрии. Было обнаружено, что эти экстракты лучше всего подходят для титрования сильной кислотой и сильным основанием по сравнению со слабым кислотно-сильным основанием с резким и четким изменением цвета с красного на коричневато-желтый для экстракта Bougainvillea glabra , с красного на желтый для Bauhinia purpurea и от красного до коричневато-желтого для экстракта Impatiens balsamina .Все три экстракта цветов дали отчетливое изменение цвета с помощью кислот и оснований, и изменение цвета поддерживалось с помощью различных кислот и оснований. Резкий контраст между их цветами в кислоте и основе сделал пигмент подходящим для использования в качестве кислотно-основных индикаторов.

Доступность и простая процедура экстракции с отличными характеристиками и точными результатами сделали бы эти индикаторы для натуральных цветов подходящими заменителями синтетических индикаторов, используемых во многих лабораториях и исследовательских институтах.Короче говоря, отрасли, исследовательские лаборатории, школы и химические компании, использующие индикаторы для определения кислотности, щелочности, влажности, степени реакций и т. Д., Сочтут предварительные результаты этого исследования ценными для получения эффективных индикаторов из цветы как заменители или возможная замена стандартных индикаторов. Американское общество испытаний и материалов (ASTM) использует колориметрическое титрование с синтетическими индикаторами в качестве стандартного метода для обеспечения средств количественной оценки устойчивости смазки к разрушающему воздействию кислотных компонентов.Эти синтетические индикаторы могут быть заменены индикаторами из натуральных цветов в современных лабораториях. Однако недостатком цветочного экстракта является то, что их нужно готовить в свежем виде, поскольку они подвержены грибковому росту через три дня.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.