مختبر الهبوط: كفاءة التكلفة لمركبات الهبوط المحيطية المُطعَّمة

تُعد السفن المجهزة بذراع رافعة متأرجحة وونش مثالية لنشر أنظمة التصوير عن بُعد تحت الماء المزودة بطُعم (BRUV) واسترجاعها. في هذه الصورة، يُنزَل نظام Stereo-BRUV، الذي طوره المعهد الأسترالي لعلوم البحار (AIMS)، إلى قاع البحر. تُؤثر أنظمة BRUV بشكل ضئيل على تجمعات الكائنات البحرية في قاع البحر. الصورة من مجموعة علم البيئة البحرية - أبحاث الأسماك، جامعة غرب أستراليا.

يُعد تحديد تنوع الأنواع وتوزيعها في نظام بيئي أمرًا أساسيًا لإنشاء خط أساس لدراسات الرصد أو لتقييم نجاح استراتيجيات الحفظ والاستعادة. قد تكون طرق أخذ العينات من النظم البيئية البحرية والمائية غير فعالة ومتحيزة، مثل كاميرات الفيديو التي يستخدمها الغواصون، أو ضارة بالبيئة والتنوع البيولوجي، مثل شباك الجر القاعية وشباك الجر. وكلاهما يستغرق وقتًا طويلاً ويكلف الكثير. يُعد اختيار طريقة أخذ عينات فعالة واقتصادية لإنشاء خطوط أساس ومراقبة التنوع البيولوجي عاملًا مهمًا في أي دراسة بيئية.

تم النظر في تقنيتين غير جراحيتين لمراقبة الحياة البحرية في عمود الماء الكامل لموقع مختار: أنظمة الكاميرات المُطعّمة، والترميز الشريطي للحمض النووي البيئي (eDNA). وتم تحديد مقارنات التكلفة، ونقاط القوة والضعف، ومقاييس الفعالية.

وتكتب كلارك في بحثها: "على الرغم من أن منطقة الدراسة كانت محلية، فإن النتائج المقدمة هنا قابلة للتطبيق على برامج مراقبة التنوع البيولوجي المائي العالمي والحفاظ عليه".

كاميرات مُطعّمة

تم استخدام كاميرات التصوير الفوتوغرافي الفاصل الزمني التلقائي للدراسات القاعية منذ الخمسينيات من القرن العشرين من قبل باحثين مثل البروفيسور جون د. إسحاقس، من مؤسسة سكريبس لعلوم المحيطات/جامعة كاليفورنيا سان دييغو، والدكتور هارولد إي. إدجيرتون، من مؤسسة وودز هول لعلوم المحيطات.

هارولد إي. إدجيرتون (يسار) من معهد وودز هول لعلوم المحيطات والغلاف الجوي (HOI) يُساعد في نشر نظام كاميرا مُقيّد لأعماق البحار على متن سفينة الأبحاث كاليبسو التابعة لجاك إيف كوستو خلال العمل الميداني في البحر الأبيض المتوسط عام ١٩٥٣. الصورة © ٢٠١٠ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. بإذن من متحف معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

سقطت كاميرا جون د. إسحاق، من معهد سكريبس، المزودة بطُعم، سقوطًا حرًا في أعماق البحار لتكشف عن أنواع أسماك مجهولة وحيوانات زبّالة أخرى تنجذب إلى الطُعم المُعلق بالمرساة عام ١٩٦٨. أظهر عمل إسحاق أن الصور الثابتة تُحدد الكائنات البحرية، بينما تكشف مقاطع الأفلام عن سلوكياتها. في وقت مُحدد، تُحرر المرساة، ويعود نظام الكاميرا إلى السطح حيث يُستخرج. الصورة مقدمة من معهد سكريبس لعلوم المحيطات/جامعة كاليفورنيا، سان دييغو.

يُعدّ التصوير تحت الماء باستخدام الطُعم (BRUV) طريقةً متزايدة الانتشار، وفعّالة، وغير جراحية، وغير مُدمّرة، لجمع عينات من التنوع البيولوجي البحري. يُمكن استكشاف الأعماق الضحلة باستخدام نظام كاميرا يُنزَل إلى قاع البحر، مثل مصيدة السلطعون، ويُعلّم بعوامة سطحية. غالبًا ما تقتصر الصور على ساعات النهار، لذا لا حاجة للأضواء والبطاريات. تُعرف هذه الأنظمة البسيطة باسم "منصات التصوير تحت الماء باستخدام الطُعم" (BRUV).

فيديو تحت الماء عن بُعد باستخدام طُعم ستيريو (BRUV) في ريف ريدرز، تسيتسيكاما، جنوب أفريقيا. الصورة من تصوير بيتر ساوثوود، مستخدمة بإذن.

يُفضّل استخدام أنظمة BRUV على أساليب أخذ العينات الاستخراجية مثل الصيد بالشباك الجرافة، حيث تهرب العديد من الأنواع من الشباك أو تُدمّر بفعل الصيد. ولأنها هادئة وتوفر طُعمًا، تُوفّر أنظمة BRUVs نهجًا أكثر فعالية بنسبة 40% لتسجيل أعداد الأنواع مقارنةً بمقاطع الفيديو التي يلتقطها الغواصون. بالإضافة إلى ذلك، تُوفّر BRUV سجلًا دائمًا لأخذ العينات يُمكن مراجعته لتقليل التباين بين المراقبين، وتُوفّر بيانات حول أنواع الموائل، ويمكن استخدامها في النظم البيئية العميقة أو كثيفة التنظيم.

يمكن لأنظمة BRUVs توفير مقاييس نسبية لثراء الأنواع ووفرتها في مجموعة متنوعة من الظروف والموائل. كما يمكن لأنظمة Stereo-BRUV تحديد حجم جسم الأسماك، وإنتاج خريطة رقمية لعمق المجال، حيث تبرز السمات والمخلوقات من بيئتها المحيطة. ويمكن استخدام حجم الأسماك كمقياس للكتلة الحيوية، وهو مقياس أساسي لتقارير إدارة مصائد الأسماك. وقد تتضمن المسوحات الأكثر تعقيدًا مجموعة أجهزة استشعار لقياس وتسجيل تأثير تقلبات مناطق الحد الأدنى للأكسجين، وغيرها من الأحداث المحيطية الفيزيائية، على التجمعات الحيوانية المحلية. ويمكن نشر أنظمة BRUV/مسبارات محيطية متعددة في وقت واحد، مما يجعلها طريقة مسح فعالة من حيث الوقت لمنطقة واسعة.

تُتيح أنظمة التصوير الرقمي متعددة الكاميرات، ذات مجالات الرؤية المتداخلة، رؤية بانورامية بزاوية 360 درجة لقاع البحر حول مركبة الهبوط. وتكتسب الكاميرات الحرارية أهميةً متزايدةً في الدراسات البحرية.

كما أوضح إسحاق، يُمكن لمركبة إنزال محيطية ذاتية التشغيل الوصول إلى المياه العميقة بنفس طريقة مركبة BRUV، بالاعتماد على قدرة المركبة على إطلاق وزن طائر ليطفو على السطح. يُمكن إطلاق المرساة بواسطة مؤقت أو أمر صوتي. يُمكن تخفيف تكلفة المرساة والأثر البيئي باستخدام الحديد المُركّب. (انظر Marine Technology Reporter، نوفمبر/ديسمبر 2024، ص 40، مختبر المركبة #12، "مراسي الحديد المُركّبة").

كما هو الحال مع مركبات BRUV، توفر مركبات الإنزال المحيطية منصات طويلة الأمد، هادئة، وغير غازية لمراقبة الحياة البحرية، أو رصد تغيرات ظروف المحيط. يمكن لمؤقت ثانٍ إغلاق زجاجة نيسكين صغيرة باستخدام سلك احتراق، لالتقاط عينة من الماء من قاع البحر لتحليل الحمض النووي البيئي، كما هو موضح أدناه. تُضيف عينة الماء وزنًا للمركبة فقط عند سحبها من البحر ووضعها على القارب.

أبرزت دراسات أخرى محدودية استخدام BRUV/Landers. قد يكون تحديد الأنواع صعبًا في بيئات المياه العكرة نظرًا لضعف الرؤية، وقد يكون هناك تمثيل زائد للحيوانات المفترسة الرئيسية بسبب سلوك الأنواع المرتبط بالبحث عن الجيف. بالإضافة إلى ذلك، تجذب رائحة الطُعم أنواعًا من مناطق أخرى قد لا تكون بالضرورة محلية للمواقع التي تم أخذ العينات منها، وبالتالي فإن منطقة أخذ العينات الحقيقية غير معروفة إلى حد كبير. من المرجح أيضًا أن تكون الأسماك التي تعيش في أعلى عمود الماء، والأنواع الخفية (التمويهية) والأنواع المستقرة، ممثلة تمثيلًا ناقصًا عند استخدام BRUV. وأخيرًا، قد يكون تحليل اللقطات مكلفًا ويتطلب جهدًا كبيرًا ويستغرق وقتًا طويلاً.

الترميز الشريطي الميتابولي للحمض النووي البيئي (eDNA) هو تقنية تسلسل حمض نووي عالية الإنتاجية، ازدادت شعبيتها في مسح النظم البيئية البحرية. من أهم مزايا استخدام eDNA سهولة جمع العينات: إذ يتطلب ذلك كمية صغيرة نسبيًا من الماء، لترين. بخلاف الترميز الشريطي الميتابولي التقليدي للحمض النووي الذي يحدد هوية فرد واحد، يحدد الترميز الشريطي الميتابولي أنواعًا متعددة في آنٍ واحد، مما يوفر نظرة عامة شاملة على التنوع البيولوجي. توجد المواد الوراثية التي تطرحها الكائنات الحية في المحيط، مثل خلايا الجلد والقشور والبراز والأمشاج وغيرها من المواد العضوية، في الرواسب ومياه البحر القريبة من القاع. تترسب هذه المواد على مدى زمني أطول من مقطع فيديو، وقد تُظهر أنواعًا لم تُشاهد في التصوير قصير المدة خلال ساعات النهار. يمكن تضخيم الحمض النووي الناقص باستخدام تقنيات تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR).

تتيح طريقة الحمض النووي البيئي (eDNA) تقييمًا سريعًا للأنظمة البيئية المتنوعة، واكتشاف الأنواع الغازية، وتقدير تركيب المجتمعات، مما يُعطي صورةً واضحةً عن التنوع البيولوجي والكتلة الحيوية في نظام بيئي معين. وبينما يتحلل الحمض النووي بمرور الوقت، فإنه يبقى في البيئة لفترة كافية لاكتشاف وجود الكائنات الحية دون رصدها أو التقاطها مباشرةً. عملية الترشيح بسيطة، ولا تتطلب سوى القليل من التدريب والخبرة والوقت في الميدان. وتُغني هذه التقنية عن الحاجة إلى خبرة تصنيفية واسعة لتحديد الأنواع التي تتطلبها عادةً أساليب التصوير الفوتوغرافي.

على الرغم من المزايا العديدة للرصد القائم على الحمض النووي البيئي (eDNA)، إلا أن له حدودًا. فهناك عوامل عديدة تؤثر على قابلية اكتشاف الحمض النووي البيئي في البيئة، مما يؤدي إما إلى نتائج سلبية خاطئة (فشل في اكتشاف الأنواع الموجودة في المنطقة) أو نتائج إيجابية خاطئة (اكتشاف أنواع غير موجودة في منطقة العينة). ويمكن أن تتأثر احتمالية الكشف بعوامل حيوية وغير حيوية، بما في ذلك تكوين الحمض النووي البيئي (eDNA) الخاص بكل نوع وتحلله، المرتبط بحجم الجسم ومرحلة دورة الحياة والنظام الغذائي والهجرة. كما أن انتقال الحمض النووي البيئي (eDNA) عبر نطاقات المد والجزر العالية أو تيارات المحيطات ومعدل تحلله بسبب قوة الأشعة فوق البنفسجية ودرجة الحموضة (pH) ودرجة حرارة الماء، يمكن أن يؤثر أيضًا على احتمالية الكشف. بالإضافة إلى ذلك، من الممكن أن تلوث العينة من مرحلة جمعها وحتى معالجتها.

من القيود الأخرى التي تواجه eDNA هو أن قواعد البيانات المرجعية المستخدمة لترجمة وحدات التصنيف التشغيلية (OTUs) لا تزال غير مكتملة، وخاصة بالنسبة للأنواع الموجودة في أجزاء من العالم حيث تم إجراء قدر أقل من الأبحاث.

خليج ساسكس، المملكة المتحدة، دراسة، 2021

كانت أهداف هذه الدراسة هي: (1) مقارنة مقاييس تجميع الأنواع التي تم الحصول عليها باستخدام BRUV و eDNA؛ (2) مقارنة حساسية اثنين من بادئات الترميز الشريطي eDNA؛ (3) التحقيق في أهمية تكرار eDNA و (4) مقارنة التكلفة والجهد المطلوبين لكلا تقنيتي المسح للكشف عن وجود أنواع الفقاريات البحرية.

تم اختيار خليج ساسكس، على الساحل الجنوبي للمملكة المتحدة، لاختبار أساليب الرصد الحيوي هذه. تم فحص التنوع البيولوجي للفقاريات البحرية في 29 موقعًا مختلفًا تم اختيارها من خلال مقاطع فيديو سابقة. جُمعت العينات بين 5 و21 يوليو 2021، بين الساعة 8 صباحًا و5 مساءً.

في دراستهم، استُخدمت منصة BRUV بثلاث كاميرات، اثنتان منها موجهتان في اتجاه واحد، والثالثة موجهة للخلف. حُلّلت صور الفيديو باستخدام لقطات من الكاميرا اليمنى فقط، مع استخدام الكاميرا اليسرى في حال تعطل الكاميرا اليمنى أو حجبها الأعشاب البحرية. ونظرًا لالتقاط الصور خلال ساعات النهار، لم تُستخدم أي أضواء.

نُشرت ثلاثة أنظمة BRUV بالتتابع بالقوارب في كل موقع من المواقع التسعة والعشرين، على بُعد 150 مترًا، وتُركت للتصوير في قاع البحر لمدة تصل إلى 75 دقيقة. ورُصدت الأسماك والفقاريات البحرية، وحُددت هويتها على أدنى مستوى تصنيفي ممكن.

جُمعت عينات من الحمض النووي البيئي (eDNA) من كل موقع من المواقع التسعة والعشرين أثناء نشر منصات BRUV. واستُخدم جهاز أخذ العينات Kemmerer، الذي يعمل بوزن ناقل، لجمع عينات المياه على ارتفاع متر واحد فوق قاع البحر. وللحد من تلوث الحمض النووي البيئي وتدهوره، رُشِّحت كل عينة فور وصولها إلى القارب. وفي المجمل، نُفِّذت 87 عملية نشر لـ BRUV، وجُمعت 87 عينة من الحمض النووي البيئي في هذه الدراسة.

نتائج

عند استخدامهما معًا، توفر تقنية eDNA Metabarcoding ومسوحات الفيديو إمكانات قوية لمراقبة النظم البيئية للمحيطات على أعماق مختلفة.

أظهرت دراسات خليج ساسكس، التي قارنت بين الحمض النووي البيئي ومقاطع الفيديو تحت الماء، أن تكلفة مسوحات BRUV أقل إجمالاً، إلا أن رصد الحمض النووي البيئي يُحقق قيمة أفضل عند احتساب عدد الأنواع المكتشفة. ومع ذلك، وعلى عكس مسوحات BRUV، فإن الأنواع المكتشفة بواسطة الحمض النووي البيئي تُمثل على الأرجح الأنواع الموجودة ضمن منطقة جغرافية أكبر من الموقع المُحدد الذي أُخذت منه العينة، كما ذُكر آنفاً.

قد يكون هناك أيضًا تحيزٌ متأصلٌ بسبب الاختلاف الزمني في تراكم مادة الحمض النووي البيئي مقارنةً بوقت اليوم وطول عينة الفيديو. كما أنه من غير المرجح أن ترصد الكاميرات السفلية الأسماك في عمود الماء العلوي.

مخطط فين لاكتشافات أنواع الحمض النووي البيئي (eDNA) وBRUV. رصدت مسوحات الحمض النووي البيئي (eDNA) غالبية الأنواع (78/81) التي رصدها كلا المسوحين، في القسمين الأوسط والأيمن من مخطط فين. حددت مسوحات BRUV 27/81 نوعًا، في القسمين الأوسط والأيسر من مخطط فين. حددت كلتا الطريقتين نفس الأنواع الـ 24 التي تنتمي إلى 12 عائلة. الصورة مستخدمة بإذن. صممت أليس كلارك الرسم البياني بالتعاون مع NatureMetrics.

مقارنة التكلفة والجهد

شملت تكاليف مشروع BRUV بناء معدات الكاميرا، والطُعم، واستئجار القارب، وتكلفة العمالة اللازمة لتحليل الفيديو. وبما أن معدات BRUV بُنيت في السنة الأولى، ومن المقرر إعادة استخدامها في السنوات الأربع التالية، فمن الطبيعي أن تكون السنة الأولى أكثر تكلفة من السنوات اللاحقة.

غطت تكاليف الحمض النووي البيئي (eDNA) جهاز أخذ العينات Kemmerer، ونظام الترشيح في البحر، واستئجار القارب، ومجموعات الحمض النووي البيئي (eDNA)، والتحليل الذي أجرته NatureMetrics. ومرة أخرى، كانت تكلفة السنة الأولى أعلى من السنوات اللاحقة، حيث سيتم إعادة استخدام المعدات المشتراة عامًا بعد عام. وقد أُخذت في الاعتبار تكلفة إجراء التحليل داخليًا مقابل الاستعانة بمصادر خارجية. ونظرًا لاختلاف مستوى الخبرة المطلوب لتحليل فيديو BRUV عن تحليل الحمض النووي البيئي (eDNA) الداخلي، فقد تم احتساب تكاليف العمالة لكل طريقة. كما تم احتساب الوقت المستغرق في العمل الميداني.

مقارنة تكاليف مسوحات BRUV، ومسوحات eDNA مع تحليل العينات داخليًا، ومسوحات eDNA مع تحليل العينات خارجيًا. قُسِّمت التكاليف إلى ثلاث فئات: المعدات، والعمل الميداني، والتحليل. بشكل عام، كان مسح BRUV هو الأقل تكلفةً من بين تقنيات الرصد الحيوي، بينما كان مسح eDNA مع تحليل العينات خارجيًا هو الأكثر تكلفة. صممت أليس كلارك الرسم البياني بالتعاون مع NatureMetrics.

في إطار زمني امتد لخمس سنوات، أثبتت مسوحات BRUV أنها الأقل تكلفةً مقارنةً بمسوحات الحمض النووي البيئي المُستعان بها خارجيًا أو داخليًا. ومع ذلك، كشف تحليل الحمض النووي البيئي عن ثراءٍ أكبر في الأنواع، مما أدى إلى انخفاض تكلفة كل نوع مُكتشف، مع مراعاة القيود المذكورة سابقًا.

عند تقدير التكاليف المستقبلية على مدى خمس سنوات من أخذ العينات، لم يتم أخذ تأثير التضخم أو الانخفاض المحتمل في تكلفة تسلسل الحمض النووي البيئي في الاعتبار.

وبالمثل، من المرجح أن تشهد تكنولوجيا الفيديو تطورات كبيرة في السنوات القادمة. تشير تقديرات الدراسات السابقة إلى أن الوقت المستغرق في تحليل لقطات الفيديو يبلغ ضعف مدة الفيديو المسجل. ومع ذلك، مع التطور السريع للتعلم العميق وأدوات الذكاء الاصطناعي المرتبطة به، والمستخدمة لأتمتة تحليل الفيديو أو أتمتته جزئيًا، من المرجح أن ينخفض الوقت والجهد المبذولين في تحليل لقطات الفيديو بشكل كبير. كما أصبحت تكنولوجيا الكاميرات أكثر تكلفةً ودقةً، مما يتيح تحديدًا أدق لخصائص السكان.

أفكار مستقبلية

إن مركبة BRUV أو مركبة هبوط المحيط القادرة على تصوير الفيديو على مدار دورة لا تقل عن 24 ساعة وأخذ عينات من المياه للحصول على الحمض النووي البيئي، بما في ذلك تقنيات الترشيح والحفظ العلوية التي حددها باحثو خليج ساسكس، توفر أداة مراقبة فعالة من حيث التكلفة ويمكن استخدامها بشكل مستمر لعدة سنوات.

ملاحظة المحرر:

نادرًا ما تُدمج التكاليف التشغيلية لعمليات الهبوط في المقالات العلمية. استُلهمت مقالة مختبر الهبوط هذه من ورقة أكاديمية مدروسة جيدًا بعنوان "تحليل التكلفة والجهد لفيديو تحت الماء عن بُعد بالطعم (BRUV) والحمض النووي البيئي (eDNA) في مراقبة المجتمعات البيئية البحرية" بقلم أليس جيه كلارك، طالبة أبحاث بجامعة ساسكس، برايتون، المملكة المتحدة، وآخرون. تم اختبار تقديرات المؤلفين لفعالية التكلفة لطريقتين غير جراحيتين لأخذ العينات في الميدان، وهي منطقة بحرية محمية بالقرب من الشاطئ تتعافى من سنوات من الصيد بالشباك الجرافة والعواصف الشديدة. تتناسب الطرق مع منطقة الدراسة ومدتها الزمنية. تمت إضافة مواد إضافية إلى هذه المقالة لتكملة الورقة الأصلية. يتم تشجيع القراء على قراءة النص الكامل الأصلي عبر الإنترنت، وخاصة للحصول على تفاصيل حول الأساليب العلمية والتحليل والاستنتاجات. الاستشهاد أدناه. اقترح الدكتور زاكاري جراف، عالم الأبحاث في المنظمة غير الحكومية "تحت الأمواج" ( underthewaves.org ) موضوع BRUVs الموصوف في هذه المقالة.

الاستشهادات

كلارك إيه جيه، أتكينسون إس آر، سكاربوني في، كين تي، جيرالدي إن آر، هيندي آي دبليو، شيبواي جيه آر، بيك إم. 2024. تحليل التكلفة والجهد لفيديوهات تحت الماء المُطعَّمة عن بُعد (BRUV) والحمض النووي البيئي (eDNA) في مراقبة المجتمعات البيئية البحرية. مجلة PeerJ 12:e17091
يمكن العثور على الورقة الكاملة مع الاستشهادات في PeerJ https://peerj.com/articles/17091/
نُشر في 30 أبريل 2024

"مختبر الهبوط" هو ركن عملي لتقنيات واستراتيجيات هبوط المحيطات، وهو فئة فريدة من المركبات البحرية غير المأهولة، وصانعيها. يهدف إلى خدمة مجتمع هبوط المحيطات العالمي، على غرار مجلة "ميك" وغيرها من مجتمعات "اصنعها بنفسك".

نرحب بالتعليقات على هذه المقالة، أو باقتراحاتكم لقصص تهمّ رواد سفن الهبوط الآخرين. كما نشجع فرق الهبوط الأخرى على الكتابة عن أعمالها. تدعوكم MTR للتواصل مع كيفن هاردي عبر البريد الإلكتروني: [email protected].