Un professeur d’ingénierie océanique et d’océanographie de l’Université de Rhode Island, ainsi qu’une équipe de recherche multidisciplinaire provenant de plusieurs institutions, ont démontré avec succès de nouvelles technologies permettant d’obtenir des tissus préservés et des images 3D haute résolution quelques minutes après avoir rencontré certains des animaux les plus fragiles des profondeurs. océan.
Le professeur Brennan Phillips de l’URI, chercheur principal du projet, et une équipe de 15 chercheurs de six institutions, dont l’URI, ont montré qu’il est possible de gagner des années avant de déterminer si une espèce nouvelle ou rare a été découverte. Les résultats de leurs travaux sont publié aujourd’hui (17 janvier) dans le journal Avancées scientifiques.
Roboticiens, ingénieurs océaniques, bio-ingénieurs et biologistes marins et moléculaires du département d’ingénierie océanique de l’URI ; le laboratoire Bigelow pour les sciences océaniques à East Boothbay, dans le Maine ; l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université Harvard ; le Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) en Californie ; PA Consulting, une société mondiale axée sur l’innovation ; et le Département des sciences naturelles du Baruch College de la City University de New York constituaient l’équipe. Le document représente cinq années de recherche.
Les progrès révolutionnaires en matière d’imagerie sous-marine, de robotique et de séquençage génomique ont remodelé l’exploration marine, affirme l’étude. La recherche montre que quelques minutes après une rencontre avec un animal des grands fonds, il est possible de capturer des mesures et des mouvements détaillés de l’animal, d’obtenir un génome complet et de générer une liste complète de gènes exprimés qui indiquent son état physiologique dans l’océan profond. Le résultat de ces riches données numériques est un « cybertype » d’un seul animal, plutôt qu’un « holotype » physique que l’on trouve traditionnellement dans les collections des musées.
Un dodécaèdre à actionnement rotatif (RAD-2) encapsule un polychète holoplanctonique (Tomopteris, un ver marin). Vidéo d’un véhicule télécommandé (ROV), caméra scientifique SuBastian, Schmidt Ocean Institute. Crédit : Institut Schmidt Océan
« Actuellement, si les chercheurs veulent décrire ce qu’ils pensent être une nouvelle espèce, ils sont confrontés à un processus ardu », a déclaré Phillips. « La façon dont cela se fait maintenant consiste à capturer un spécimen, ce qui est très difficile parce que beaucoup de ces animaux sont si délicats et très fins, et il est probable que vous ne puissiez pas les collecter du tout. Mais si vous réussissez à les collecter un animal, vous le conservez ensuite dans un bocal.
» Commence alors un long processus consistant à amener physiquement ce spécimen dans différentes collections à travers le monde où il est comparé aux organismes existants. Après une longue période, parfois jusqu’à 21 ans, les scientifiques peuvent parvenir à un consensus sur le fait qu’il s’agit d’une nouvelle espèce.
« Encore une fois, ce sont de minces petits animaux des grands fonds. Le flux de travail actuel n’est pas approprié. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles nous avons tant d’espèces non décrites dans l’océan. »
Les informations tirées de l’étude – et d’autres qui suivront – pourraient être utiles pour les études de prévention des extinctions, car elles fournissent une mine d’informations à partir d’un seul spécimen obtenu au cours d’une seule rencontre. Ce travail répond également à l’appel croissant des chercheurs en faveur d’une collecte compassionnelle, qui minimise les dommages causés aux animaux en utilisant des technologies avancées pour collecter des informations. Les études et développements futurs pourraient permettre des analyses et des inventaires complets de la vie en haute mer dans un cadre de capture et de remise à l’eau.
« La vision était la suivante : comment un biologiste marin pourrait-il travailler pour mieux comprendre et se connecter à la vie des grands fonds dans des décennies ou des siècles ? » a déclaré David Gruber, professeur émérite de biologie au Baruch College de la City University de New York et explorateur de la National Geographic Society. « Il s’agit d’une démonstration de la manière dont une équipe interdisciplinaire pourrait travailler en collaboration pour fournir une énorme quantité de nouvelles informations sur la vie des fonds marins après une brève rencontre.
« L’objectif ultime est de continuer sur cette voie et d’affiner la technologie pour qu’elle soit aussi peu invasive que possible, semblable à un examen médical en haute mer. Cette approche devient de plus en plus importante, l’extinction actuelle étant 100 fois supérieure à l’extinction de fond. les taux. »
Phillips a déclaré que, comme la collecte de ces échantillons a toujours été difficile, de nombreuses espèces d’eau profonde n’ont pas encore été identifiées. « Quand on regarde le changement climatique et l’exploitation minière en haute mer et leurs effets potentiels, c’est troublant », a déclaré Phillips. « Vous réalisez que vous ne disposez pas d’une base de référence complète sur les espèces et que vous ne savez peut-être pas ce que vous avez perdu avant qu’il ne soit trop tard. Si vous voulez savoir ce qui était là avant qu’il ne disparaisse, c’est une nouvelle façon de le faire. « .
La mission a été menée sur le navire de recherche Falkor et comprenait deux expéditions au large d’Hawaï et de San Diego en 2019 et 2021. L’équipe a collecté jusqu’à 14 échantillons de tissus préservés par jour, ainsi que des téraoctets d’images numériques quantitatives. Ensemble, l’étude a fourni :
L’auteur principal de l’article, John Burns, chercheur scientifique principal au laboratoire Bigelow, a effectué l’analyse génomique sur quatre animaux échantillonnés à des profondeurs de près de 4 000 pieds.
« Ce que nous avons pu réaliser avec ces animaux est remarquable », a déclaré Burns. « Pour moi, cela se voit mieux dans les données de séquence que nous avons générées pour le ver Tomopteris : nous l’avons capturé alors qu’il explorait son environnement et avons pu en déduire qu’il scrutait l’eau à l’aide de deux longues moustaches sensorielles près de sa tête à la recherche de « douces ». Goûts : probablement des sucres associés aux proies, et éventuellement de l’ammoniac : un déchet de sa proie typique.
« Avec ces informations, nous pouvons imaginer comment il chasse en suivant les traces chimiques dans son habitat en eau libre », a déclaré Burns. « Je ne pense pas que cela aurait été possible sans la technologie innovante inventée et utilisée par les ingénieurs de l’équipe, qui a permis de préserver complètement les informations sur les animaux quelques minutes après une rencontre. »
Burns a déclaré qu’une autre étude avec Gruber a examiné comment les méthodes de capture affectent l’acide ribonucléique des méduses, connu sous le nom d’ARN, l’un des éléments constitutifs de la vie. Cette séquence d’informations peut commencer à changer après environ 10 minutes de conditions stressantes, même avec une collecte douce. Les technologies Designing the Future surmontent ce problème en préservant les informations avant que les cellules de l’animal ne commencent à réagir au stress, selon Burns.
« Nous avons également découvert que trois des animaux que nous avons capturés possédaient d’énormes génomes : chacun ayant près de 10 fois plus d’ADN dans une cellule que nous, les humains », a déclaré Burns. « Pour le quatrième, avec un génome de taille plus modeste (environ 3 % de la taille d’un génome humain), nous avons pu utiliser des méthodes de séquençage de pointe pour construire le génome de salpe le plus cohérent et le plus complet à ce jour. »
Harvard et URI ont apporté à la mission un dodécaèdre pliant à actionnement rotatif (RAD-2), un dispositif d’encapsulation robotique innovant inspiré de l’origami, qui collectait des échantillons de tissus animaux et préservait presque instantanément ces tissus en profondeur.
« Nous constatons l’impact de nouveaux types de robots marins pour l’exploration des eaux moyennes et profondes », a déclaré le roboticien Robert Wood, professeur d’ingénierie et de sciences appliquées Harry Lewis et Marlyn McGrath à l’Université Harvard. « Non seulement les robots se rendent dans des endroits difficiles ou impossibles à atteindre pour les humains, mais nos appareils enquêtent, interagissent avec et collectent des spécimens en les touchant doucement… ou sans toucher du tout. »
Systèmes d’imagerie du laboratoire Bioinspiration de MBARI comprenant un dispositif d’imagerie à balayage laser appelé DeepPIV et une caméra à champ lumineux tridimensionnel appelée OeilRIS a permis la mesure et la reconstruction de la morphologie tridimensionnelle, ou forme du corps, des animaux dans leur environnement naturel.
« Nous ne pouvons pas protéger ce que nous ne comprenons pas encore pleinement. Les technologies d’imagerie avancées peuvent accélérer nos efforts pour documenter la diversité de la vie dans l’océan. Plus vite nous pouvons cataloguer la vie marine, mieux nous pouvons évaluer et suivre l’impact des actions humaines comme le changement climatique et l’exploitation minière sur les environnements océaniques », a déclaré Kakani Katija, bio-ingénieur et ingénieur principal du Bioinspiration Lab de MBARI.
« Nous disposons de véhicules télécommandés dotés de systèmes d’imagerie avancés, capables de créer un modèle tridimensionnel après seulement quelques minutes », a déclaré Phillips. « Nous avons pu nous approcher d’une minuscule méduse en quelques secondes, collecter des images 3D haute résolution dans la salle de contrôle et notre équipe a pu déterminer en quelques minutes que les tentacules mesuraient exactement 5 millimètres de long. Ensuite, nous avons pu Nous avons obtenu des échantillons de tissus extrêmement bien conservés du même animal en quelques minutes. »
Plus d’information:
John Burns et al, Une stratégie de synthèse numérique in situ pour la découverte et la description de la vie océanique, Avancées scientifiques (2024). DOI : 10.1126/sciadv.adj4960. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj4960