Η MBARI εργάζεται στο Unlocking Ocean Biology

Οι ερευνητές του MBARI κατευθύνονται στον κόλπο Monterey για να αναπτύξουν ένα αυτόνομο υποβρύχιο όχημα μεγάλης εμβέλειας (LR-AUV), ένα υποβρύχιο ρομπότ που προγραμματίζεται στην επιφάνεια και στη συνέχεια ταξιδεύει υποβρύχια για εκατοντάδες μίλια, μετρώντας τη χημεία του νερού και συλλέγοντας δείγματα νερού καθώς πάει. . Credit: Brian Kieft (c) 2015 MBARI

Το AUV μεγάλης εμβέλειας του MBARI στο ερευνητικό σκάφος Paragon στον κόλπο Monterey. Πίστωση: (γ) 2018 MBARI

Previous Next

Η μεγαλύτερη κατανόηση του τι συμβαίνει στον ωκεανό αρχίζει να γίνεται πραγματικότητα – χάρη στην αυξανόμενη χρήση μη επανδρωμένων επιφανειακών και υποβρύχιων οχημάτων και τις εξελίξεις στη βιολογική ανίχνευση. Η Elaine Maslin ρίχνει μια ματιά στο τι κάνει μια ομάδα στο MBARI.

Η συλλογή βιολογικών δεδομένων από τους ωκεανούς παραμένει μια σημαντική πρόκληση για τους ωκεανογράφους. Τώρα, γίνεται διαθέσιμη μια αυξανόμενη γκάμα μη επανδρωμένων οχημάτων που μπορούν να συνεργάζονται, όπως και η δυνατότητα συλλογής βιολογικών δεδομένων χρησιμοποιώντας αυτά.

Ακούγεται απλό, αλλά παραδοσιακά η συλλογή και η επεξεργασία βιολογικών δειγμάτων περιλαμβάνει τη συλλογή δειγμάτων, συνήθως από ερευνητικό πλοίο, τα οποία στη συνέχεια συλλέγονται και λαμβάνονται για επεξεργασία σε εργαστήριο. Το αποτέλεσμα μπορεί να είναι αποσπασματικό ή να χάσετε σημαντικά γεγονότα.

Ήταν επίσης δύσκολο και μη πρακτικό για τα υποβρύχια οχήματα να το κάνουν, επειδή δεν είναι αρκετά μεγάλα για να αποθηκεύσουν τον αριθμό των δειγμάτων που θα χρειάζονταν ή να φέρουν τον εργαστηριακό εξοπλισμό που θα μπορούσε να κάνει ανάλυση επί του σκάφους – μέχρι τώρα.

Μια ομάδα στο Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), που εδρεύει στο Moss Landing της Καλιφόρνια, εργάζεται πάνω σε μια αποκαλούμενη «οικογονική» λύση αισθητήρων τα τελευταία 25 χρόνια και τώρα έχει αποτελέσματα, ως μέρος πολλών αποστολές οχημάτων πάνω και κάτω από την επιφάνεια.
Ο Δρ Jim Birch, διευθυντής του κέντρου SURF του MBARI, λέει ότι ξεκίνησε με ομαδικό ενδιαφέρον για τη μικροβιακή ωκεανογραφία - τη μελέτη των μικρότερων οργανισμών στον ωκεανό, συμπεριλαμβανομένης της κατανόησης του πώς και γιατί σχηματίζονται επιβλαβή άλγη. Ο Dr Birch μίλησε για το έργο και τα αποτελέσματά του στην εκδήλωση Marine Autonomy and Technology Showcase (MATS) του Εθνικού Κέντρου Ωκεανογραφίας στο Southampton, στα τέλη του περασμένου έτους. Το αποτέλεσμα είναι ένας Περιβαλλοντικός Επεξεργαστής Δειγμάτων (ESP), ένα συμπαγές ρομποτικό σύστημα που φιλτράρει ένα δείγμα νερού και στη συνέχεια επεξεργάζεται τη βιομάζα για να δημιουργήσει αναλύσιμα δείγματα.

Ένα αυτόνομο υποβρύχιο όχημα μεγάλης εμβέλειας που φέρει ESP ανακτάται στο R/V Falkor μετά από αποστολή.
Credit: Φωτογραφία του Thom Hoffman / ευγενική προσφορά του Schmidt Ocean Institute.

Το πρόγραμμα ESP ξεκίνησε από τον σημερινό Διευθύνοντα Σύμβουλο της MBARI, Chris Scholin όταν ήταν μεταδιδακτορικός στο MBARI. Ο στόχος ήταν να μπορέσουμε να ανιχνεύσουμε επιβλαβείς ανθίσεις φυκιών (HABs) in situ, χωρίς να χρειάζεται να πάρουμε δείγματα πίσω σε εργαστήριο. Τα πρώτα 10 χρόνια επικεντρώθηκαν στην ανάπτυξη χημικών ανίχνευσης που θα μπορούσαν να αναγνωρίσουν τα επιβλαβή φύκια. Όμως, από την αρχή, «η ιδέα του Chris ήταν να ξεχάσει τα δείγματα και να βάλει το εργαστήριο στον ωκεανό, στέλνοντας μόνο τα δεδομένα πίσω», λέει ο Δρ. Birch. «Ένα «πρώτης γενιάς» ESP ήταν ένα ρομπότ τύπου βήτα που αναπτύχθηκε μια φορά στον Κόλπο του Μέιν για να δείξει ότι θα λειτουργούσε, πράγμα που έγινε».

Στη συνέχεια ήρθε ένα ESP δεύτερης γενιάς (2G), το οποίο ταιριάζει στο μέγεθος ενός τυμπάνου 50 γαλονιών. Το ένα αναπτύχθηκε περίπου το 2006 στο Monterey Bay και έκτοτε το σχέδιο έχει αδειοδοτηθεί για εμπορευματοποίηση στα Ερευνητικά Εργαστήρια McLane στο Falmouth της Μασαχουσέτης. Ήταν ένα «άλογο εργασίας» τα τελευταία 14 χρόνια, λέει ο Dr Birch. Τόσο το 1G όσο και το 2G ESP ήταν στατικά ρομπότ, αγκυροβολημένα στο νερό που δειγματοληπτούν ή εγκαταστάθηκαν σε περιοχές όπου το νερό μπορεί να αντληθεί αυτόματα σε αυτά.

«Το «δείγμα» που συλλέγει το ESP είναι στην πραγματικότητα υλικό που αφήνεται πίσω όταν φιλτράρετε έναν γνωστό όγκο νερού», εξηγεί. Τα δείγματα μπορούν είτε να διατηρηθούν για μεταγενέστερη ανάλυση είτε να υποβληθούν σε επεξεργασία από το ESP στο πεδίο. Η επεξεργασία απαιτεί κάποια μοριακή βιολογία, και για να γίνει αυτό, οι μικροοργανισμοί στα δείγματα πρέπει να υποβληθούν σε λύση για να απελευθερώσουν το κυτταρικό τους περιεχόμενο. «Το ESP χρησιμοποιεί ενζυματική λύση, σπάζοντας τα κύτταρα που ανοίγουν με θερμότητα και ένα ειδικό ένζυμο και δημιουργώντας ένα ομογενοποιημένο προϊόν ή προϊόν λύσης που μπορεί στη συνέχεια να αναλυθεί με διάφορους τρόπους», λέει ο Δρ Birch.

«Είδαμε από νωρίς ότι η κινητικότητα θα μπορούσε να επεκτείνει τις δυνατότητες του ESP και αρχίσαμε να ρωτάμε, θα μπορούσαμε να βάλουμε αυτό που υπήρχε σε ένα τύμπανο 50 γαλονιών σε μέγεθος δύο μπάλες μπάσκετ ως ωφέλιμο φορτίο AUV;», λέει ο Δρ Birch. Έτυχε τότε, πριν από 5-6 χρόνια, η MBARI να αναπτύσσει ένα AUV μεγάλης εμβέλειας (LRAUV) βασισμένο σε ένα AUV κλάσης Tethys. Το αποτέλεσμα είναι το ESP «τρίτης» γενιάς (3G ESP), με νέο σχεδιασμό φυσιγγίου δακτυλίου και έμβολα μαγνητικής ράβδου ώθησης. Περιέχει δύο τύπους φυσιγγίων δειγμάτων, την αρχειοθέτηση, για τη διατήρηση και την αποθήκευση δειγμάτων και το "Lyse-n-go" για επεξεργασία και ανάλυση στο πεδίο.

Το LRAUV είναι ένα όχημα με έλικα, διαμέτρου 30 cm, μήκους 2,3 m (3,2 m με 3G-ESP), 120 kg (160 kg με 3G-ESP) οχήματος με ονομαστικό βάθος έως 300 m. Αναβαθμίζοντας πολλά από τα συστήματα που σχετίζονται με την πρόωση, το LRAUV μπορεί να εκτελέσει αποστολές 7-14 ημερών πριν χρειαστεί να ανακτηθεί και να επαναφορτιστεί. Ένας εσωτερικός κινητήρας άνωσης επιτρέπει επίσης έλεγχο βάθους σε λεπτό επίπεδο, σημαντική συμπεριφορά κατά την προσπάθεια δειγματοληψίας των βιολογικά πλούσιων λεπτών στρωμάτων που βρίσκονται σε όλους τους ωκεανούς.

Αυτή η τεχνολογία δοκιμάστηκε κατά τη διάρκεια ενός έργου με το Πανεπιστήμιο της Χαβάης, το οποίο απέκτησε τρία LRAUV με ESP. Ο στόχος ήταν να επιτραπεί μεγαλύτερη πρόσβαση στη θάλασσα από ό,τι επέτρεπε το πρόγραμμα των πλοίων τους, προκειμένου να μελετηθούν οι μικροβιακούς πληθυσμούς που κατοικούν στο Deep Chlorophyll Maximum (DCM - μια περιοχή βάθους ~120 m με μέγιστες συγκεντρώσεις χλωροφύλλης).

Το αποκορύφωμα αυτού του έργου ήταν το 2018, όταν το R/V Falkor (Schmidt Ocean Institute) ανέπτυξε δύο MBARI LRAUV, το Aku με 3G ESP και το Opah με ένα τυπικό πακέτο οργάνων, μαζί με ένα Wave Glider, για να μελετήσουν ένα μεγάλο , δίνη μέσης κλίμακας (~ 150 μίλια κατά μήκος) βόρεια του Oahu. Ο Aku κατέβηκε για να εντοπίσει το DCM και να αναγνωρίσει τη θερμοκρασία στο βάθος του υψηλότερου φθορισμού χλωροφύλλης. Ελέγχοντας το βάθος του ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, ο Aku μπόρεσε να παραμείνει στο DCM για τέσσερις ημέρες χωρίς να βγει στην επιφάνεια. Ενώ παρασύρθηκε, ο Aku άντλησε ~ 1 λίτρο θαλασσινού νερού μέσω κάθε στοίβας φίλτρου και στη συνέχεια συντήρησε το διήθημα με RNA-Later, για μελλοντική ανάλυση στην ξηρά.

Εν τω μεταξύ, ο Opah παρακολούθησε τον Aku χρησιμοποιώντας τη θέση USBL, διατηρώντας τον Aku στο κέντρο ενός κύκλου ακτίνας 800 μέτρων, συλλέγοντας δεδομένα συμφραζομένων. Από πάνω τους ένα Wave Glider παρακολουθούσε επίσης τον Aku και παρείχε θέση και επικοινωνίες με το R/V Falkor. Ένα drogue με επιφανειακή σημαδούρα εκτοξεύτηκε επίσης για να παρακολουθεί το κέντρο του στροβιλισμού.

Ο μηχανικός MBARI Brent Jones σε δοκιμαστική ανάπτυξη του AUV μεγάλης εμβέλειας "Makai" της MBARI στον κόλπο Monterey. Το Makai έχει σχεδιαστεί για να φέρει έναν επεξεργαστή περιβαλλοντικών δειγμάτων τρίτης γενιάς (ESP). Credit: Chris Wahl (c) 2016 MBARI

Συνολικά, 82 δείγματα συλλέχθηκαν, διατηρήθηκαν και αρχειοθετήθηκαν σε βήματα του ενός λίτρου σε διαστήματα τριών ωρών σε εννέα κύκλους ημέρας-νύχτας, από μέσα, πάνω ή κάτω από το DCM.

«Η ανάπτυξη αποδείχθηκε εξαιρετικά επιτυχημένη, με τον Ed Delong, ο οποίος ενδιαφέρεται για το χρονοδιάγραμμα των μικροβιακών αποκρίσεων στο περιβάλλον, να μπορεί να συλλέγει δείγματα νερού από ένα παρασυρόμενο, βυθισμένο όχημα (δηλαδή στην ίδια μάζα νερού) κάθε τέσσερις ώρες για τέσσερις ημέρες», λέει ο Δρ Birch. «Παρήγαγε ένα αξιοσημείωτο σύνολο δεδομένων, το οποίο βρίσκεται ακόμα στη μέση της ανάλυσης».

Τον Ιούνιο του 2019, η MBARI πραγματοποίησε ένα άλλο έργο ESP-οχήματος, αυτή τη φορά πιο κοντά στο Monterey Bay. Αυτό ήταν ένα μεγάλο πείραμα πολλαπλών περιουσιακών στοιχείων που συνδύαζε παραδοσιακές μεθόδους δειγματοληψίας νερού εκτός πλοίου με ένα στόλο MBARI LRAUV, δύο με ESP, καθώς και ένα AUV απεικόνισης i2MAP, ένα με αισθητήρα βιοφωταύγειας, μαζί με Wave Gliders. ένα Sail Drone με ηχοήχο και δύο άλλα ερευνητικά σκάφη, το ένα με ROV που ήταν σε θέση να συλλέξει δεδομένα βίντεο.

Όλα αυτά αναπτύχθηκαν πάνω από μια εβδομάδα τον Μάιο-Ιούνιο 2019, 37 χιλιόμετρα υπεράκτιας προσγείωσης Moss, γύρω από το καλωδιακό παρατηρητήριο Monterey Accelerated Research System (MARS) βάθους 900 μέτρων, το οποίο διαθέτει επίσης ένα σύστημα σόναρ, το Deep Echo-Integrating Marine Observatory System ( DEIMOS), για την ανίχνευση της θαλάσσιας ζωής και η οποία ήταν σε θέση να παρακολουθεί τα AUV.

Ο στόχος ήταν να δούμε την ημερήσια (ημέρα-νύχτα) μετανάστευση του ζωοπλαγκτού στον κόλπο. Η χρήση πολλαπλών οχημάτων σήμαινε ότι διαφορετικά στρώματα της στήλης νερού σε διαφορετικές κλίμακες μπορούσαν να μελετηθούν ταυτόχρονα. «Σε αυτήν την κρουαζιέρα, μπορέσαμε να συλλέξουμε δεδομένα ακουστικής, γενετικής και βιοφωταύγειας αυτόνομα και δεδομένα βίντεο μέσω του ROV Ventana για να ταιριάξουμε με το CTD του πλοίου μας και τη καθαρή δειγματοληψία», λέει η μεταδιδακτορική συνεργάτιδα Katie Pitz, η οποία ήταν στην κρουαζιέρα. «Θα είναι συναρπαστικό να αποκαλύψουμε αυτά που μάθαμε μέσω αυτών των διαφορετικών μεθόδων».

Αυτό το έργο έχει ανοίξει συναρπαστικές δυνατότητες για μελλοντική έρευνα. Για παράδειγμα, λόγω της ικανότητας του DEIMOS να ανιχνεύει στρώματα όπου συγκεντρώνεται η θαλάσσια ζωή, η επεξεργασία των ακουστικογραμμάτων σε πραγματικό χρόνο θα μπορούσε να κατευθύνει τα οχήματα σε περιοχές ενδιαφέροντος σχεδόν σε πραγματικό χρόνο.

«Τελικά, εργαζόμαστε για να μεταφέρουμε την επεξεργασία στο ίδιο το όχημα, για να αφαιρέσουμε εντελώς έναν άνθρωπο από τη διαδικασία και να κάνουμε τα οχήματα να αναζητούν ενεργά περιοχές ενδιαφέροντος μόνα τους, δεδομένων των παραμέτρων που τους παρείχαν οι άνθρωποι στην αρχή του πείραμα», λέει ο Δρ Birch. «Αυτό είναι το μέλλον».

Υπάρχει επίσης περισσότερη δουλειά που πρέπει να γίνει στο ESP. Η επιτόπια επεξεργασία δειγμάτων (λύση και ανάλυση) μπορεί να γίνει, αλλά τα φυσίγγια που εκτελούν αυτές τις διαδικασίες θα μπορούσαν να είναι πιο εύχρηστα, λέει ο Δρ Birch. «Προωθούμε έναν σοβαρό επανασχεδιασμό με την αξιοπιστία και τη χρηστικότητα στο προσκήνιο. Οι τρέχουσες προσπάθειές μας επικεντρώνονται στην απλότητα, την αξιοπιστία και την κατασκευαστικότητα.» Η μαζική παραγωγή ανταλλακτικών θα βοηθούσε επίσης στη μείωση του κόστους και ως εκ τούτου θα έκανε περισσότερους ανθρώπους να χρησιμοποιήσουν αυτήν την τεχνολογία. Αλλά έρχονται κι άλλα. «Αναπτύσσουμε μια απομακρυσμένη, αυτόνομη ικανότητα qPCR και διερευνούμε τη δυνατότητα in situ γονιδιακής αλληλουχίας», λέει ο Birch. Αυτό θα ωθούσε ακόμη περισσότερο τις δυνατότητες του ESP.

Αυτές οι κινήσεις θα έκαναν τον εξοπλισμό πιο εύκολο στη χρήση από άλλους ερευνητές σε όλο τον κόσμο και θα αύξαναν περαιτέρω το πόσο κατανοούμε για τον ωκεανό.