深海生物學(xué)：革命性數(shù)字綜合研究方法

海洋探索領(lǐng)域的革命性進(jìn)展，已經(jīng)改變了人類對海洋生物的認(rèn)識。深海里有什么樣的生物呢？科學(xué)家們又是怎樣研究深海生物的呢？近日，“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編讀到一篇于2024年1月發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上的最新研究，約翰·伯恩斯等科學(xué)家們在施密特海洋研究所進(jìn)行的研究中，采用了一種新的綜合方法，結(jié)合了水下成像技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和基因組測序技術(shù)，旨在深入了解深海生物。

（上圖：一種基于ROV的深海中水動物原位成像和捕獲的數(shù)字綜合策略。ROV SuBastian的技術(shù)布局突出了研究人員所用的儀器在機(jī)械臂和ROV滑雪板上的位置，以及2021年8月探險的原位數(shù)字綜合工作流程的示例。成像/采樣步驟以顏色編碼，并按照典型的數(shù)據(jù)收集順序進(jìn)行枚舉，每個儀器顯示了一個動物樣本（M. claudanielis）的示例數(shù)據(jù)。（1）使用ROV 4K科學(xué)攝像頭進(jìn)行初始標(biāo)本觀察和視頻/靜態(tài)圖像捕捉；（2）EyeRIS光場圖像；（3）DeepPIV激光成像掃描；（4）RAD-2組織采樣；和（5）原位保存。遺傳測序是在岸上完成的，包括從原位保存的組織中提取DNA和RNA。ROV模型由施密特海洋研究所的J·威廉姆斯設(shè)計。John A. Burns et al. ）

該研究提出、并演示了一種綜合的跨學(xué)科方法，利用新興的定量成像技術(shù)、創(chuàng)新的機(jī)器人封裝系統(tǒng)以及原位RNA保存和下一代基因組測序技術(shù)，從深海生物中獲取全面的生物學(xué)、生物物理學(xué)和基因組數(shù)據(jù)。

這項研究的目的是：利用各種數(shù)據(jù)，讓我們更全面地了解深海生物的外觀和基因信息，比起傳統(tǒng)的觀察方法和保存標(biāo)本，效果更好。這種新方法能幫助人們更好地研究海洋里脆弱的動物，對提升人類對海洋的認(rèn)識有很大幫助。

深海環(huán)境，畢竟是地球上較少了解和更難研究的生態(tài)系統(tǒng)之一。與火星表面相比，我們對地球深海的了解甚至更為有限。盡管人類能夠進(jìn)入各種陸地生態(tài)系統(tǒng)已有幾千年的歷史，但深海生物環(huán)境的探索和研究則只有幾百年的歷史。遠(yuǎn)程操作車（ROVs）等現(xiàn)代技術(shù)的出現(xiàn)，使得人類能夠與深海生物進(jìn)行互動，然而，大多數(shù)這些技術(shù)的發(fā)展更多地受到工業(yè)部門和國防相關(guān)行業(yè)的推動。所幸，近年來軟體機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展更多地側(cè)重于對脆弱的海洋生物的精細(xì)操作，這些技術(shù)是與海洋生物學(xué)家合作發(fā)展的，為他們的研究提供了便利。結(jié)合先進(jìn)的水下成像技術(shù)，我們現(xiàn)在能夠?qū)⒅皟H在受控實驗室環(huán)境中可能的生物學(xué)探究擴(kuò)展到深海脆弱動物身上。

為了收集豐富的數(shù)據(jù)以識別、描述和進(jìn)一步了解深海生物，該研究將機(jī)器人學(xué)、深海標(biāo)本封裝、定量三維成像和分子生物學(xué)的跨學(xué)科協(xié)同作用結(jié)合在一起。通過結(jié)合水下成像和移動機(jī)器人平臺，他們開啟了實現(xiàn)深海海洋生物定量觀察的新機(jī)制。他們報告了一個工作流程和技術(shù)套件，包括結(jié)構(gòu)化成像、封裝、原位保存和基因組測序，為深海生物學(xué)研究提供了豐富的信息。

該研究進(jìn)行了兩次研究探險，分別在施密特海洋研究所的R/V Falkor號上進(jìn)行，ROV SuBastian號是一種4500米額定的工作級ROV系統(tǒng)。第一次探險于2019年10月12日至17日在夏威夷州奧胡島西海岸進(jìn)行，第二次探險于2021年8月12日至21日在加州圣迭戈海岸進(jìn)行。兩次探險分別以技術(shù)測試和成像與生物學(xué)原位調(diào)查為主要目標(biāo)。在2021年8月的綜合探險中，共進(jìn)行了七次ROV潛水，持續(xù)10天。每次潛水平均持續(xù)時間約為8小時，以觀察海洋動物的晝夜遷移模式。

（上圖：使用定制成像系統(tǒng)EyeRIS和DeepPIV進(jìn)行定量成像。突出標(biāo)本的定量圖像用于基因分析。（A）安裝在ROV SuBastian上的兩臺攝像頭及其在原位的操作。EyeRIS安裝在一個機(jī)械臂上，而DeepPIV則安裝在ROV甲板的中央位置。（B）四種代表性標(biāo)本的定量渲染的2D圖像。（1）利用DeepPIV激光片圖像重建的水母蟲M. claudanielis，（2）salp Pegea sp.，和（3）水母蟲Erenna sp.。4）利用EyeRIS光場相機(jī)拍攝的多毛動物Tomopteris sp.的圖像，左上角顯示了比例尺。每個標(biāo)本的視頻漫游可通過表S13中的鏈接獲取。（A）中的原位圖像由ROV SuBastian上的4K科學(xué)攝像頭捕獲，R/V Falkor，施密特海洋研究所。（B）中的3D模型由Katija實驗室生成。比例尺為2厘米，不代表動物或渲染的深度或傾斜。John A. Burns et al. ）

ROV SuBastian號配備了三種創(chuàng)新的中水層探測系統(tǒng)，包括深層粒子圖像測速術(shù)（DeepPIV）激光成像系統(tǒng)、安裝在ROV滑雪板上的EyeRIS（遠(yuǎn)程成像系統(tǒng)）光場相機(jī)系統(tǒng)，以及用于標(biāo)本封裝和組織采樣的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的十二面體（RAD-2）。這些系統(tǒng)在每次ROV潛水中幾乎同時運(yùn)行，利用ROV科學(xué)攝像機(jī)在前進(jìn)中水途中視覺識別目標(biāo)生物。

首先，科學(xué)家們使用遠(yuǎn)程操作車（ROV）的攝像頭記錄了生物的外觀，并使用EyeRIS和DeepPIV等成像系統(tǒng)進(jìn)行定量成像。然后，他們使用RAD-2捕捉動物，并利用McLane Labs的SuPR采樣器收集動物組織樣本。這些樣本會被保存起來，以便后續(xù)的遺傳分析。除了使用成像技術(shù)外，科學(xué)家們還使用EK60漁業(yè)回聲探測系統(tǒng)來識別高生物密度的區(qū)域，以幫助引導(dǎo)他們的探索路徑。

在實地探測的過程中，科學(xué)家們在每次8小時的ROV潛水中平均遇到并采集了五個目標(biāo)生物。他們采用了深海級別的EyeRIS和DeepPIV技術(shù)來獲取這些生物的內(nèi)部和外部形態(tài)數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)，他們得以對61個不同的生物個體進(jìn)行了尺寸和形態(tài)的測量，對49個生物個體進(jìn)行了3D掃描?？茖W(xué)家們還通過分子生物學(xué)方法鑒定了其中四種代表性深海中水動物的基因信息，包括兩種水母蟲、一種水螅和一種管口動物。

通過對樣本的研究和分析，科學(xué)家們成功地識別出了多種深海生物，包括Pegea sp.、Tomopteris sp.、Marrus claudanielis和Errena sp.等。他們的研究還表明，雖然在成像和采樣過程中仍然存在一些挑戰(zhàn)，但這些技術(shù)的出現(xiàn)為深海生物學(xué)研究提供了新的可能性。同時，他們開發(fā)的RAD封裝機(jī)制也為動物組織的采集和保存提供了一種新的方式，使得在野外環(huán)境中進(jìn)行生物實驗成為可能。

海洋與濕地·小百科

遠(yuǎn)程操作車

遠(yuǎn)程操作車（ROVs）是一種無人潛水器，通常被用于進(jìn)行水下探測和作業(yè)。這些機(jī)器人由地面或船只上的操作員通過電纜進(jìn)行遙控操作。ROVs通常配備有攝像頭、傳感器和其他工具，可以在水下進(jìn)行各種任務(wù)，如觀察海底環(huán)境、檢查海底設(shè)施、收集樣本等。它們在海洋科學(xué)、深海探索、海洋工程等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，能夠進(jìn)入人類無法直接到達(dá)的深海環(huán)境，從而幫助科學(xué)家們開展水下研究和任務(wù)。

施密特海洋研究所

施密特海洋研究所（Schmidt Ocean Institute，簡稱SOI）是一家致力于推動海洋科學(xué)研究的美國非營利性機(jī)構(gòu)，由慈善家埃里克·施密特、溫迪·施密特于2009年創(chuàng)立，總部位于加利福尼亞州的帕洛阿爾托。該所以其開創(chuàng)性的工作和對海洋的熱情而著稱，核心工作包括運(yùn)營全球唯一的慈善研究船“福爾克號”，支持各種海洋科學(xué)研究項目，開發(fā)海洋探索技術(shù)（包括遠(yuǎn)程操作車輛、自主潛水器），以及通過教育和公眾參與活動提高人們對海洋的認(rèn)識。這些努力對于提高人們對海洋的認(rèn)識和保護(hù)海洋環(huán)境至關(guān)重要。

施密特海洋研究所的工作對提高人們對海洋的認(rèn)識和保護(hù)海洋環(huán)境具有重要意義。通過提供最先進(jìn)的科研平臺、支持國際科學(xué)合作、開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)以及傳播海洋知識，該研究所取得了許多重要成果，如2021年發(fā)現(xiàn)100多種新的海洋生物、2020年發(fā)布了全球首張完整的海底3D地圖以及研究海洋酸化和氣候變化的影響、2022年在太平洋底發(fā)現(xiàn)了1600米高的巨型海山等等。

思考題 | 舉一反三

深海環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)樣本采集通常需要依靠船只和潛水器械，操作受限、且成本高昂。而且，標(biāo)本保存起來也比較困難，因為傳統(tǒng)的樣本保存方式可能導(dǎo)致樣本變形或者生物結(jié)構(gòu)損壞（尤其是對于柔軟的海洋生物而言）；此外，傳統(tǒng)的觀察方法通常依賴于保存標(biāo)本、或者二維影像，也較為難以全面展現(xiàn)深海生物的立體結(jié)構(gòu)、以及細(xì)微的特征。這項研究，無疑提供了一種新的思路?，F(xiàn)在讓我們來思考這樣的幾個問題：

Q1. 深海中的生物到底有多復(fù)雜？科學(xué)家是如何利用4K攝像頭、EyeRIS和DeepPIV等先進(jìn)技術(shù)，采集了多少個生物樣本、并進(jìn)行了定量成像？

Q2. 在研究中，科學(xué)家們使用了McLane Labs的SuPR采樣器收集了65個組織樣本，但并非每個樣本都適合成像和采樣。這些技術(shù)的局限性有哪些？未來如何改進(jìn)這些技術(shù)以提高樣本采集的效率和質(zhì)量？

Q3. 在采集深海生物樣本的過程中，科學(xué)家們遇到了哪些挑戰(zhàn)？他們是如何解決這些挑戰(zhàn)的，使得科學(xué)研究能夠順利進(jìn)行？

Q4. RAD封裝機(jī)制如何在深海生物研究中發(fā)揮作用？它到底有多有效，使得科學(xué)家們能夠在野外環(huán)境中進(jìn)行生物實驗并保存樣本？展望未來的話，在深海研究領(lǐng)域，RAD封裝機(jī)制可能會帶來哪些新的突破和應(yīng)用？

END

本文僅代表資訊，不代表平臺觀點(diǎn)。

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新聞源 | Science Advances

編譯 | Wendy

審核 | Sara

排版 | Sara

參考資料略