تعمل MBARI في فتح علم الأحياء في المحيطات

يتوجه باحثو MBARI إلى خليج مونتيري لنشر مركبة ذاتية القيادة طويلة المدى تحت الماء (LR-AUV) ، وهي روبوت تحت الماء مبرمج على السطح ثم يسافر تحت الماء لمئات الأميال ، ليقيس كيمياء المياه ويجمع عينات المياه أثناء ذهابه. . الائتمان: بريان كيفت (ج) 2015 MBARI

AUV بعيد المدى من MBARI على متن سفينة الأبحاث Paragon في خليج مونتيري. الائتمان: (ج) 2018 MBARI

Previous Next

بدأ فهم ما يجري في المحيطات يصبح حقيقة واقعة - بفضل الاستخدام المتزايد للمركبات غير المأهولة السطحية وتحت الماء والتطورات في الاستشعار البيولوجي. تلقي إلين ماسلين نظرة على ما كان يفعله فريق MBARI.

لا يزال جمع البيانات البيولوجية من المحيطات يمثل تحديًا كبيرًا لعلماء المحيطات. الآن ، أصبحت مجموعة متزايدة من المركبات غير المأهولة القادرة على العمل معًا متاحة ، وكذلك القدرة على جمع البيانات البيولوجية باستخدامها.

يبدو الأمر واضحًا للأمام ، ولكن تقليديًا كان جمع العينات البيولوجية ومعالجتها ينطوي على جمع العينات ، عادةً من سفينة الأبحاث ، والتي يتم جمعها بعد ذلك وأخذها للمعالجة في المختبر. يمكن أن تكون النتيجة غير مكتملة أو تفوت أحداثًا مهمة.

كما كان من الصعب وغير العملي بالنسبة للمركبات التي تعمل تحت الماء ، لأنها ليست كبيرة بما يكفي لتخزين عدد العينات المطلوبة أو حمل المعدات المختبرية التي يمكن أن تقوم بالتحليل على متنها - حتى الآن.

يعمل فريق في معهد Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) ، ومقره في Moss Landing ، كاليفورنيا ، على ما يسمى بحل الاستشعار "ecogenomic" على مدار الخمسة وعشرين عامًا الماضية وهو الآن يحقق نتائج ، كجزء من مهام السيارة على السطح وتحته.
يقول الدكتور جيم بيرش ، مدير مركز SURF في MBARI ، إنه بدأ باهتمام جماعي بعلم المحيطات الميكروبي - دراسة أصغر الكائنات الحية في المحيط ، بما في ذلك فهم كيف ولماذا تتشكل الطحالب الضارة. تحدث الدكتور بيرش عن العمل ونتائجه في معرض الاستقلالية والتكنولوجيا البحرية (MATS) التابع للمركز الوطني لعلوم المحيطات في ساوثهامبتون ، أواخر العام الماضي. والنتيجة هي معالج العينات البيئية (ESP) ، وهو نظام آلي مضغوط يقوم بتصفية عينة من المياه ثم يعالج الكتلة الحيوية لإنشاء عينات قابلة للتحليل.

يتم استعادة مركبة طويلة المدى ذاتية القيادة تحت الماء تحمل ESP إلى R / V Falkor بعد مهمة.
مصدر الصورة: تصوير ثوم هوفمان / بإذن من معهد شميت أوشن.

بدأ برنامج ESP من قبل الرئيس التنفيذي الحالي لشركة MBARI ، كريس شولين عندما كان باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في MBARI. كان الهدف هو أن تكون قادرًا على اكتشاف تكاثر الطحالب الضارة (HABs) في الموقع ، دون الحاجة إلى إعادة العينات إلى المختبر. ركزت السنوات العشر الأولى على تطوير كيمياء الكشف التي يمكن أن تحدد الطحالب الضارة. ولكن ، منذ البداية ، "كانت فكرة كريس هي نسيان العينات ووضع المختبر في المحيط ، وإرسال البيانات فقط ،" كما يقول الدكتور بيرش. "الجيل الأول" من برنامج ESP عبارة عن روبوت من نوع بيتا تم نشره مرة واحدة في خليج مين لإثبات أنه سيعمل ، وقد نجح ذلك. "

ثم جاء الجيل الثاني (2G) ESP ، والذي يتناسب مع حجم أسطوانة سعة 50 جالونًا. تم نشر أحدها في حوالي عام 2006 في خليج مونتيري ، ومنذ ذلك الحين تم ترخيص التصميم للتسويق لمختبرات ماكلين للأبحاث في فالماوث ، ماساتشوستس. كان كل من المرساب الكهروستاتيكي 1G و 2G عبارة عن روبوتات ثابتة ، ترسو في المياه التي يتم أخذ عينات منها ، أو يتم تثبيتها في مناطق يمكن فيها ضخ المياه إليها تلقائيًا.

"العينة" التي يجمعها المرساب الكهروستاتيكي هي في الواقع مادة تُترك وراءها عندما تقوم بتصفية حجم معروف من الماء "، كما يوضح. يمكن إما حفظ العينات لتحليلها لاحقًا ، أو معالجتها بواسطة المرساب الكهروستاتيكي في الميدان. تتطلب المعالجة بعض البيولوجيا الجزيئية ، وللقيام بذلك ، يجب تفكيك الكائنات الحية الدقيقة في العينات لتحرير محتوياتها الخلوية. يقول الدكتور بيرش: "يستخدم المرساب الكهروستاتيكي التحلل الإنزيمي ، حيث يتم تكسير الخلايا بالحرارة وإنزيم خاص وإنشاء مادة متجانس أو محللة يمكن تحليلها بعد ذلك بعدة طرق".

يقول الدكتور بيرش: "لقد رأينا في وقت مبكر أن التنقل يمكن أن يوسع إمكانات المرساب الكهروستاتيكي وبدأنا في التساؤل ، هل يمكننا وضع ما كان في برميل سعة 50 جالونًا في حجم كرتين سلة كحمولة صافية AUV؟". لقد حدث أنه في ذلك الوقت ، منذ 5-6 سنوات ، كانت MBARI تطور AUV طويل المدى (LRAUV) على أساس AUV من فئة Tethys. والنتيجة هي الجيل الثالث من ESP (3G ESP) ، مع تصميم خرطوشة حلقة جديدة ومغاطس قضيب دفع مغناطيسي. وهي تحتوي على نوعين من عينات الخراطيش ، أرشيفية لحفظ العينات وتخزينها ، و "Lyse-n-go" لمعالجة الحقل وتحليله.

LRAUV عبارة عن مروحة مدفوعة ، قطرها 30 سم ، طولها 2.3 متر (3.2 متر مع 3G-ESP) ، 120 كجم (160 كجم مع 3G-ESP) مصنفة بعمق يصل إلى 300 متر. من خلال شحذ العديد من الأنظمة المتعلقة بالدفع ، يمكن لـ LRAUV تشغيل مهام من 7 إلى 14 يومًا قبل الحاجة إلى استردادها وإعادة شحنها. يسمح محرك الطفو الداخلي أيضًا بالتحكم الدقيق في العمق ، وهو سلوك مهم عند محاولة أخذ عينات من الطبقات الرقيقة الغنية بيولوجيًا الموجودة في جميع أنحاء المحيطات.

تم اختبار هذه التكنولوجيا خلال مشروع مع جامعة هاواي ، التي حصلت على ثلاث مركبات LRAUV مع ESPs. كان الهدف هو السماح بوصول أكبر إلى البحر أكثر من الجدول الزمني المسموح به لسفنهم من أجل دراسة التجمعات الميكروبية التي تعيش في أعماق الكلوروفيل الأقصى (DCM - منطقة بعمق 120 مترًا تقريبًا مع تركيزات قصوى من الكلوروفيل).

كانت ذروة هذا المشروع في عام 2018 ، عندما نشر R / V Falkor (Schmidt Ocean Institute) طائرتين من طراز MBARI LRAUV ، Aku مع 3G ESP على متن الطائرة ، و Opah مع حزمة أدوات قياسية ، جنبًا إلى جنب مع Wave Glider ، لدراسة مجموعة كبيرة ، إيدي متوسط الحجم (بعرض 150 ميلًا تقريبًا) شمال أواهو. نزل أكو لتحديد موقع DCM وتحديد درجة الحرارة على عمق أعلى مضان للكلوروفيل. من خلال التحكم في عمقها كدالة لدرجة الحرارة ، تمكن Aku من البقاء في DCM لمدة أربعة أيام دون أن يطفو على السطح. أثناء الانجراف ، قام Aku بضخ حوالي 1 لتر من مياه البحر من خلال كل مجموعة ترشيح ثم الحفاظ على المرشح باستخدام RNA-Later ، للتحليل المستقبلي على الشاطئ.

وفي الوقت نفسه ، قامت أوبا بتتبع Aku باستخدام وضع USBL ، مع إبقاء Aku في وسط دائرة نصف قطرها 800 متر ، وجمع البيانات السياقية. وفوقهم ، قامت Wave Glider أيضًا بتتبع Aku ، وقدمت الموقع والاتصالات إلى R / V Falkor. كما تم إطلاق مروحية مع عوامة سطحية لتتبع مركز الدوامة.

مهندس MBARI برنت جونز في اختبار نشر MBARI بعيد المدى AUV "Makai" في خليج مونتيري. تم تصميم Makai لحمل معالج العينات البيئية من الجيل الثالث (ESP). الائتمان: كريس وال (ج) 2016 MBARI

في المجموع ، تم جمع 82 عينة وحفظها وأرشفتها بزيادات قدرها لتر واحد على فترات ثلاث ساعات على مدار تسع دورات نهارية وليلية ، من داخل DCM أو فوقه أو تحته.

"تبين أن النشر كان ناجحًا إلى حد كبير ، حيث تمكن Ed Delong ، المهتم بتوقيت الاستجابات الميكروبية للبيئة ، من جمع عينات المياه من مركبة مغمورة (أي في نفس الكتلة المائية) كل أربع ساعات على مدى أربعة أيام "، كما يقول الدكتور بيرش. "لقد أنتج مجموعة بيانات رائعة ، لا يزال في خضم التحليل."

في يونيو 2019 ، نفذت MBARI مشروعًا آخر لمركبة ESP ، وهذه المرة أقرب إلى موطنها في خليج مونتيري. كانت هذه تجربة كبيرة ومتعددة الأصول جمعت بين طرق أخذ عينات المياه التقليدية خارج السفينة مع أسطول من MBARI LRAUVs ، واثنتان مع ESPs ، بالإضافة إلى i2MAP للتصوير AUV ، واحد مع مستشعر تلألؤ بيولوجي ، جنبًا إلى جنب مع Wave Gliders ، طائرة بدون طيار مع مسبار الصدى ، وسفينتي أبحاث أخريين ، واحدة مع ROV على متنها والتي كانت قادرة على جمع بيانات الفيديو.

تم نشر كل هذه الأجهزة على مدار أسبوع في مايو ويونيو 2019 ، على بعد 37 كيلومترًا من Moss Landing ، وحوالي 900 متر من مرصد Monterey Accelerated Research System (MARS) ، والذي يحتوي أيضًا على نظام سونار متجه إلى الأعلى ، نظام المرصد البحري المتكامل العميق (Deep Echo-Integrating Marine Observatory System) ( DEIMOS) ، لاكتشاف الحياة البحرية والتي كانت قادرة على تتبع AUVs.

كان الهدف هو إلقاء نظرة على هجرة العوالق الحيوانية اليومية (ليل نهار) في الخليج. استخدام مركبات متعددة يعني أنه يمكن دراسة طبقات مختلفة من عمود الماء بمقاييس مختلفة في نفس الوقت. "في هذه الرحلة البحرية ، تمكنا من جمع البيانات الصوتية والوراثية والتلألؤ الحيوي بشكل مستقل وبيانات الفيديو من خلال ROV Ventana لتتناسب مع CTD على متن السفينة وأخذ العينات الصافية" ، كما تقول زميلة ما بعد الدكتوراة كاتي بيتز ، التي كانت في الرحلة. "سيكون من المثير اكتشاف ما تعلمناه من خلال هذه الأساليب المختلفة."

لقد فتح هذا المشروع إمكانيات مثيرة للبحث في المستقبل. على سبيل المثال ، نظرًا لقدرة DEIMOS على اكتشاف الطبقات التي يتجمع فيها السدود ، فإن المعالجة في الوقت الفعلي للتسجيلات الصوتية يمكن أن توجه المركبات إلى مناطق الاهتمام في الوقت الفعلي تقريبًا.

"في النهاية ، نحن نعمل على نقل المعالجة إلى السيارة نفسها ، لإزالة الإنسان تمامًا من العملية ، وجعل المركبات تبحث بنشاط عن مجالات الاهتمام بمفردها ، مع الأخذ في الاعتبار المعلمات التي قدمها البشر في بداية تجربة "، كما يقول الدكتور بيرش. "هذا هو المستقبل."

هناك أيضًا المزيد من العمل الذي يتعين القيام به على برنامج ESP. يمكن إجراء معالجة العينات في الموقع (التحلل والتحليل) ، لكن الخراطيش التي تؤدي هذه العمليات قد تكون أسهل في الاستخدام ، كما يقول الدكتور بيرش. "نحن ندفع إلى الأمام عملية إعادة تصميم جادة مع الموثوقية وسهولة الاستخدام في المقدمة. تركز جهودنا الحالية على البساطة والموثوقية وقابلية التصنيع. " سيساعد إنتاج قطع الغيار بكميات كبيرة أيضًا في تقليل التكاليف وبالتالي حث المزيد من الأشخاص على استخدام هذه التقنية. ولكن هناك المزيد في المستقبل. يقول بيرش: "نحن نطور قدرة qPCR عن بعد ومستقلة ، ونستكشف إمكانية التسلسل الجيني في الموقع". سيؤدي ذلك إلى دفع قدرة ESP إلى أبعد من ذلك.

ستجعل هذه التحركات المعدات أسهل في الاستخدام من قبل الباحثين الآخرين في جميع أنحاء العالم وتزيد من مدى فهمنا للمحيطات.