Filmele mereu au fost un mediu propice explorării conceptelor științifice. Aspectul ăsta e cel mai evident în filmele despre călătoritul în spațiu, cum ar fi Woman in the Moon (1929), 2001: A Space Odyssey (1968), sau Interstellar (2014), care s-au bazat foarte mult pe expertiza cercetătorilor de top ale vremurilor respective, pentru a concepe aceste povești de ficțiune cât mai corect din punct de vedere științific. Dar, așa cum au demonstrat doi biologi de la Institutul Wyss din cadrul Harvard, legătura dintre știință și cinema este cu două sensuri: filme cu o narativă ambițioasă pot facilita descoperirile științifice.

Așa cum este detaliat într-o lucrare publicată în ACS Nano, directorul fondator Don Ingber și Charles Reilly un micro-biolog de la Institutul Wyss, s-au unit pentru a crea un scurtmetraj animat intitulat The Beginning. Filmul detaliază călătoria unui spermatozoid către ovul, concepută ca o parodie Stars Wars. Deși pare ca o schemă supra-zeloasă de a relaționa cu copii, printr-un videoclip de educație sexuală de școală generală, chiar a condus la o descoperire științifică. În cazul ăsta, a arătat cum este energia distribuită prin spermatozoid la nivel molecular, pentru a propulsa celula către ovul.

Deseori, industria cinematografică trebuie să combine diferite seturi de date pentru a crea modele 3D computerizate cât mai realiste. Reilly a dat exemplu filmul King Kong din 2005, al lui Peter Jackson, ca o integrare de succes ale unor detalii disparate, pentru a crea o randare 3D convingătoare ale unei gorile emblematice. În cazul lui King Kong, a fost folosită tehnologia de captare a mișcărilor, pentru a crea randări digitale cu actorul. Apoi o echipă de animatori au suprapus blana digitală și expresiile faciale randate pe calculator peste mișcările astea, pentru a crea King Kong-ul pe care-l vedem noi pe ecrane.

Reilly a vrut să aplice în industria științifică fix abilitatea asta de a combina seturi de date disparate pentru a crea modele 3D realiste.

„Provocările cu care s-a confruntat industria filmului sunt similare cu cele întâmpinate de cercetători”, mi-a spus într-o convorbire telefonică Reilly, care a lucrat în post-producție înainte să se alăture echipei de la Institutul Wyss. „Jargonul e diferit, dar sub capotă, problemele sunt în esență aceleași.”

Prin combinarea perspectivei studio-urilor de animație de la Hollywood cu datele empirice din biologie, Ingber și Reilly au creat un model 3D hiper-realist al unei celule de spermatozoid. Scopul lor era să vadă dacă narativa cinematică bazată pe date ar putea fi o modalitate de a atrage atenția oamenilor care sunt dezinteresați de numere și studii tehnice seci. Ca bonus, proiectul lor de implicare prin animație a rezultat într-o descoperire științifică despre cum este distribuită energia printr-o celulă de spermatozoid, pentru a se pune în mișcare.

În general, felul în care un spermatozoid își folosește coada pentru a înota a fost destul de bine documentat. La baza cozii, există un tub lung numit axonemă, care este, de fapt, constituită din nouă perechi de microtuburi aranjate în jurul unei perechi centrale.

Atașate de aceste microtuburi sunt proteinele dynein, care acționează ca un fel de motor pentru axonemă. Proteinele dynein se prind de un microtub și energia eliberată în punctul în care acestea se transformă din molecule organice ATP în ADP, responsabile pentru transferul de energie din celulele vii, provoacă microtuburile să fie trase înainte și înapoi. Procesul ăsta are loc de-a lungul axonemei și rezultă în mișcări ale cozii spermatozoidului, similare cu cele unui bici.

Deși este bine cunoscut acest mecanism de acțiune, era nevoie și de un model 3D al spermatozoidului care să fie realist la nivel celular precum și la nivel molecular. Pentru a rezolva problema asta, Ingber și Reilly au combinat un număr de platforme de software de modelarea fizică și creare de animații.

„A fost ca un hack, în sensul că am combinat diferite unelte care în mod normal nu sunt alăturate sau interconectate”, a spus Reilly.

Cu ajutorul acestui software hibrid, Reilly și Ingber au modelat o proteină dynein și au aplicat energia în locul unde o moleculă ATP s-ar lega în mod obișnuit și ar elibera energie în timpul procesului de conversie la ADP. Ei au descoperit că eliberarea asta de energie cauza ca atomii din proteina dynein să se mișce în direcții aleatorii, când aceasta era simulată liberă într-un lichid. Totuși, când proteina era atașată de un microtub într-un anume punct, ca la coada unui spermatozoid, dynein se mișca în moduri predictibile ce oglindeau felul în care coada spermatozoidului se mișca în natură.

Citește și: Dacă tot ai plâns după actori decedați, să știi că tehnologia o să-i aducă înapoi

Asta a marcat un pas înainte pentru înțelegerea științifică a mecanismelor de propulsie ale unui spermatozoid. În primul rând, a arătat cum legătura unei proteine dynein cu un microtub concentrează energia eliberată în conversia de la ATP la ADP, pentru a mișca microtubul. De asemenea, a mai arătat cum proteina își schimbă configurația pe baza acestei eliberări de energie. Simulările anterioare prezentau doar un model cu proteina dynein înainte și după eliberarea energiei.

Descoperirea asta nu a fost făcută într-un laborator și apoi regurgitată într-o lucrare academică seacă (deși există și versiunea asta). În schimb, a fost un accident fericit rezultat din tentativa de a crea un model digital cât mai realist al unui spermatozoid pentru o animație parodie a unei scene din Star Wars, când războinicii rebeli se apropie de Death Star.

Conform lui Reilly, asta indică clar valoarea artei și narativei pentru descoperirile științifice.
„Vizualizările și prezentările sunt esențiale pentru procesul științific”, mi-a spus Reilly. „Eu cred că toată știința are o narativă inerentă. Dacă am putea să implicăm mai mult asta, probabil că am reuși să folosim metafora într-un mod mai pragmatic.”

Citește mai multe despre animații 3D:
Animațiile astea cu beduini o să te facă să-ți uiți toate necazurile

Componentele tehnologice din spatele artei animate

Fă cunoștință cu cel care a făcut animațiile din Star Wars și Jurassic Park