Neue Technologie zur Durchführung von Tiefseeforschung an fragilen Organismen

Ein Professor für Meerestechnik und Ozeanographie an der University of Rhode Island hat zusammen mit einem multidisziplinären Forschungsteam aus mehreren Institutionen erfolgreich neue Technologien demonstriert, mit denen konserviertes Gewebe und hochauflösende 3D-Bilder innerhalb weniger Minuten nach der Begegnung mit einigen der empfindlichsten Tiere in der Tiefe erhalten werden können Ozean.

URI-Professor Brennan Phillips, der Hauptforscher des Projekts, und ein Team von 15 Forschern aus sechs Institutionen, darunter URI, haben gezeigt, dass es möglich ist, den Prozess der Feststellung, ob eine neue oder seltene Art entdeckt wurde, um Jahre zu verkürzen. Die Ergebnisse ihrer Arbeit sind veröffentlicht heute (17. Januar) in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.

Robotiker, Meeresingenieure, Bioingenieure sowie Meeres- und Molekularbiologen aus der Abteilung für Meerestechnik des URI; das Bigelow Laboratory for Ocean Sciences in East Boothbay, Maine; die School of Engineering and Applied Sciences der Harvard University; Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) in Kalifornien; PA Consulting, ein weltweit tätiges Unternehmen, das sich auf Innovation konzentriert; und das Department of Natural Sciences am Baruch College der City University of New York bildeten das Team. Das Papier repräsentiert fünf Jahre Forschung.

Revolutionäre Fortschritte in der Unterwasserbildgebung, Robotik und Genomsequenzierung haben die Meeresforschung verändert, heißt es in der Studie. Die Forschung zeigt, dass es innerhalb weniger Minuten nach einer Begegnung mit einem Tiefseetier möglich ist, detaillierte Messungen und Bewegungen des Tieres zu erfassen, ein vollständiges Genom zu erhalten und eine umfassende Liste der exprimierten Gene zu erstellen, die auf seinen physiologischen Status hinweisen der tiefe Ozean. Das Ergebnis dieser reichhaltigen digitalen Daten ist ein „Cybertyp“ eines einzelnen Tieres und nicht ein physischer „Holotyp“, der traditionell in Museumssammlungen zu finden ist.

„Wenn Forscher derzeit eine ihrer Meinung nach neue Art beschreiben wollen, stehen sie vor einem mühsamen Prozess“, sagte Phillips. „Die Art und Weise, wie es jetzt gemacht wird, besteht darin, eine Probe zu fangen, was sehr schwierig ist, weil viele dieser Tiere so empfindlich und hauchdünn sind, und es ist wahrscheinlich, dass Sie sie überhaupt nicht sammeln können. Aber wenn Sie erfolgreich sammeln Ein Tier konservieren Sie dann in einem Glas.

„Dann beginnt ein langer Prozess, bei dem das Exemplar physisch in verschiedene Sammlungen auf der ganzen Welt gebracht wird, wo es mit vorhandenen Organismen verglichen wird. Nach langer Zeit, manchmal bis zu 21 Jahren, kommen Wissenschaftler möglicherweise zu dem Konsens, dass es sich um eine neue Art handelt.“

„Auch hier handelt es sich um dünne, kleine Tierbüschel aus der Tiefsee. Der aktuelle Arbeitsablauf ist nicht angemessen. Das ist ein Hauptgrund dafür, dass wir so viele unbeschriebene Arten im Ozean haben.“

Die aus der Studie – und anderen folgenden – gewonnenen Informationen könnten für Studien zur Verhinderung des Aussterbens nützlich sein, da sie eine Fülle von Informationen über ein einzelnes Exemplar liefern, das während einer einzigen Begegnung gewonnen wurde. Die Arbeit reagiert auch auf die wachsende Forderung unter Forschern nach einer mitfühlenden Sammlung, die den Schaden für Tiere durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien zum Sammeln von Informationen minimiert. Zukünftige Studien und Entwicklungen könnten vollständige Scans und Bestandsaufnahmen des Lebens in der Tiefsee im Rahmen eines Catch-and-Release-Rahmens ermöglichen.

„Die Vision war: Wie könnte ein Meeresbiologe arbeiten, um das Leben in der Tiefsee Jahrzehnte oder Jahrhunderte in der Zukunft besser zu verstehen und eine Verbindung zu ihm herzustellen?“ sagte David Gruber, angesehener Professor für Biologie am Baruch College der City University of New York und Forscher der National Geographic Society. „Dies ist eine Demonstration, wie ein interdisziplinäres Team zusammenarbeiten könnte, um nach einer kurzen Begegnung eine enorme Menge neuer Informationen über das Leben in der Tiefsee bereitzustellen.“

„Das ultimative Ziel besteht darin, diesen Weg fortzusetzen und die Technologie so zu verfeinern, dass sie so minimalinvasiv wie möglich ist – ähnlich einer ärztlichen Untersuchung in der Tiefsee. Dieser Ansatz wird immer wichtiger, da das aktuelle Aussterben 100-mal höher ist als das Hintergrundaussterben.“ Tarife.“

Phillips sagte, weil das Sammeln dieser Proben schon immer schwierig gewesen sei, gebe es viele Tiefseearten, die noch identifiziert werden müssten. „Wenn man den Klimawandel und den Tiefseebergbau und ihre möglichen Auswirkungen betrachtet, ist das beunruhigend“, sagte Phillips. „Sie erkennen, dass Sie nicht über eine vollständige Artenbasis verfügen und wissen möglicherweise nicht, was Sie verloren haben, bevor es zu spät ist. Wenn Sie wissen möchten, was da war, bevor es verschwunden ist, ist dies ein neuer Weg, dies zu tun.“ .“

Die Mission wurde auf dem Forschungsschiff Falkor durchgeführt und umfasste zwei Expeditionen vor der Küste von Hawaii und San Diego in den Jahren 2019 und 2021. Das Team sammelte täglich bis zu 14 konservierte Gewebeproben sowie Terabytes an quantitativen digitalen Bildern. Insgesamt lieferte die Studie:

Der Hauptautor des Artikels, John Burns, ein leitender Forschungswissenschaftler am Bigelow Laboratory, führte die Genomanalyse an vier Tieren durch, die in einer Tiefe von fast 4.000 Fuß entnommen wurden.

„Was wir mit diesen Tieren erreichen konnten, ist bemerkenswert“, sagte Burns. „Für mich ist dies am besten in den Sequenzdaten zu sehen, die wir für den Tomopteris-Wurm generiert haben: Wir haben ihn gefangen, während er seine Umgebung erkundete, und konnten daraus schließen, dass er das Wasser mithilfe zweier langer sensorischer Schnurrhaare in der Nähe seines Kopfes nach „Süßigkeit“ abtastete ‚ schmeckt: wahrscheinlich mit Beute assoziierter Zucker und möglicherweise nach Ammoniak: ein Abfallprodukt seiner typischen Beute.

„Mit diesen Informationen können wir uns vorstellen, wie es jagt, indem es chemischen Spuren in seinem Lebensraum im offenen Wasser folgt“, sagte Burns. „Ich glaube nicht, dass dies ohne die innovative Technologie möglich gewesen wäre, die von den Ingenieuren des Teams erfunden und eingesetzt wurde und die es ermöglichte, die Informationen der Tiere innerhalb von Minuten nach einer Begegnung vollständig zu bewahren.“

Burns sagte, eine weitere Studie mit Gruber habe untersucht, wie sich Fangmethoden auf die Ribonukleinsäure von Quallen, bekannt als RNA, einen der Bausteine ​​des Lebens, auswirken. Diese Informationsabfolge kann sich nach etwa 10 Minuten stressiger Bedingungen ändern, selbst bei vorsichtiger Erfassung. Die „Designing the Future“-Technologien überwinden dieses Problem, indem sie die Informationen bewahren, bevor die Zellen des Tieres beginnen, auf Stress zu reagieren, so Burns.

„Wir haben außerdem herausgefunden, dass drei der Tiere, die wir gefangen haben, riesige Genome haben: Jedes davon verfügt über fast das Zehnfache der DNA in einer Zelle im Vergleich zu uns Menschen“, sagte Burns. „Für den vierten Fall konnten wir mit einem Genom von bescheidenerer Größe (ungefähr 3 % der Größe eines menschlichen Genoms) modernste Sequenzierungsmethoden verwenden, um das bisher zusammenhängendste und vollständigste Genom eines Salps aufzubauen.“

Harvard und URI brachten zu der Mission ein rotierend betätigtes Faltdodekaeder (RAD-2) mit, ein innovatives, von Origami inspiriertes Roboter-Verkapselungsgerät, das tierische Gewebeproben sammelte und dieses Gewebe fast augenblicklich in der Tiefe konservierte.

„Wir sehen die Auswirkungen neuer Arten von Meeresrobotern auf die Mittel- und Tiefseeforschung“, sagte der Robotiker Robert Wood, Harry Lewis und Marlyn McGrath Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften an der Harvard University. „Roboter bewegen sich nicht nur an Orte, die für Menschen schwer oder gar nicht zu erreichen sind, unsere Geräte untersuchen, interagieren mit und sammeln Proben durch eine sanfte Berührung … oder gar keine Berührung.“

Bildgebungssysteme vom Bioinspiration Lab des MBARI, zu denen ein Laser-Scanning-Bildgebungsgerät namens gehörte DeepPIV und eine dreidimensionale Lichtfeldkamera namens EyeRIS ermöglichte die Messung und Rekonstruktion der dreidimensionalen Morphologie oder Körperform der Tiere in ihrer natürlichen Umgebung.

„Wir können nicht schützen, was wir noch nicht vollständig verstehen. Fortschrittliche Bildgebungstechnologien können unsere Bemühungen, die Vielfalt des Lebens im Ozean zu dokumentieren, beschleunigen. Je schneller wir das Leben im Meer katalogisieren können, desto besser können wir die Auswirkungen menschlicher Handlungen beurteilen und verfolgen.“ Klimawandel und Bergbau in Meeresumgebungen“, sagte Kakani Katija, Bioingenieurin und Chefingenieurin des Bioinspiration Lab am MBARI.

„Wir haben diese ferngesteuerten Fahrzeuge mit fortschrittlichen Bildgebungssystemen, die in nur wenigen Minuten ein dreidimensionales Modell erstellen können“, sagte Phillips. „Wir konnten uns innerhalb von Sekunden einer winzigen Qualle nähern, hochauflösende 3D-Bilder für den Kontrollraum sammeln und unser Team konnte innerhalb von Minuten feststellen, dass die Tentakel genau 5 Millimeter lang waren. Dann haben wir hatte innerhalb weniger Minuten äußerst gut erhaltene Gewebeproben desselben Tieres.