Havforskning i en tid med COVID-19

COVID-19-pandemien har gjort det særligt udfordrende for havforskere at foretage observationer og udføre eksperimenter til søs. Forskningstogter er blevet skåret ned eller aflyst, fordi det er svært at holde en sikker afstand mellem forskere og besætning på de trange pladser på et forskningsfartøj. I denne nuværende situation, MBARIs robotkøretøjer og -instrumenter har vist sig at være meget nyttige.

Et eksempel på dette er MBARI's Summer 2020 Controlled, Adræt, og Novel Ocean Network (CANON) eksperiment, som løber fra 14. juli til 4. august. Forskningsassistent Katie Pitz, der var involveret i planlægningen af ​​operationen, forklaret, "Til dette års eksperiment, selve prøveudtagningen udføres af autonome instrumenter og køretøjer, der kan fjernovervåges af forskere på land. MBARI har i lang tid fremmet autonome teknologier, så dette er et godt eksempel på, hvordan vi kan anvende disse teknologier."

MBARIs årlige CANON-eksperimenter beskæftiger typisk et stort antal skibe, robotter, og instrumenter, der er indsat mere eller mindre samtidigt på Monterey Bay for at indsamle data relateret til en specifik fysisk og biologisk proces i bugten. CANON-eksperimenter er også muligheder for forskere til at teste nye, banebrydende teknologier.

Dette års CANON-eksperiment er designet til at studere store grupper af ansjoser og andre dyr i og omkring Monterey Canyon. For at finde ud af, hvor og hvornår disse dyr samles i kløften, forskere fra MBARI og National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) kombinerer to meget forskellige teknologier - højopløselige ekkolod og miljø-DNA (eDNA).

Videnskabelige ekkolod bruger lydbølger til at skabe billeder af lag af dyr i forskellige dybder og, i nogle tilfælde, tillade endda videnskabsmænd at identificere disse dyr. Med eDNA-analyse, Biologer kan bestemme, hvilke slags organismer der er i et havområde ved blot at indsamle en prøve af havvand og udvinde DNA fra det havvand. DNA-sekvenser fra havvandet sammenlignes derefter med kendte DNA-sekvenser for en række forskellige organismer.

"Denne teknologi er analog med en retsmedicinsk efterforsker, der finder DNA på et gerningssted og sammenligner det med banken af ​​mistænkte i FBIs genetiske depot, " sagde Francisco Chavez, ledende forsker på CANON-eksperimenterne. "Vores mistænkte, " fortsatte han, "er liv i havet."

Som Pitz bemærkede, NOAA er meget interesseret i at udforske denne nye tilgang. "Mikrobiolog Kelly Goodwin ved NOAA arrangerede finansieringen af ​​MBARI til at indsamle eDNA-prøver og sammenligne resultaterne med ekkolodsobservationer. Oprindeligt skulle et NOAA-skib være en del af eksperimentet, men på grund af pandemien, skibet var ikke i stand til at være her."

"Denne forskning gælder direkte for NOAAs undersøgelser af fiskebestande, " Pitz forklarede. "De bruger ekkolod på skibe til at kortlægge fordelingen af ​​fisk og net for at verificere, hvilke fisk der er til stede. Under CANON, vi gør det samme, bortset fra, at vi bruger ekkolod monteret på robotter ved overfladen og indsamler eDNA ved hjælp af undervandsrobotter."

Overfladerobotterne brugt i CANON-eksperimentet kaldes "Wave Gliders, " og ligner firkantede surfbrætter. Gennem hele eksperimentet, en Wave Glider rejser en zig-zag sti over den indre del af Monterey Canyon, hvor der ofte findes ansjosskoler. Mens Wave Glider bevæger sig hen over overfladen, dens ekkolod fanger billeder af ansjosstimer og andre dyr i vandet nedenfor.

Efter Wave Glider på dens zig-zag kurs er en undervandsrobot kaldet et langtrækkende autonomt undervandsfartøj (LRAUV), som indsamler vandprøver til eDNA-analyse. I løbet af det to uger lange eksperiment, LRAUV vil indsamle op til 60 vandprøver ved hjælp af en MBARI-designet robotprøvetagningsenhed kaldet en Environmental Sample Processor (ESP). "Dette er en af ​​de første gange, vi har brugt LRAUV til at indsamle prøver under vandet på de samme steder, som den akustiske Wave Glider besøger ved overfladen, sagde Pitz.

Selvom robotter udfører det meste af prøven og dataindsamlingen, over to dusin mennesker er også involveret i dette eksperiment. Alle disse videnskabsmænd, ingeniører, og marine operationspersonale er nødvendige for at lancere, gendanne, og vedligeholde robotterne, og at behandle og analysere prøverne og dataene.

I slutningen af ​​eksperimentet, efter alle robotterne vender tilbage til kysten, CANON videnskabsmænd og ingeniører vil begynde at behandle hundredvis af prøver til eDNA-analyse. "Under mit første CANON-eksperiment i foråret 2017, vi indsamlede kun fire eDNA-prøver autonomt, sagde Pitz. med flere ESP'er, vi har en enorm stigning i antallet af prøver, vi kan indsamle og skal behandle."

"Det er meget arbejde, " tilføjede hun. "Men at have flere prøver er fantastisk for videnskaben. Og prøverne kan opbevares i en fryser og opbevares i årevis. Analytiske metoder til eDNA forbedres hurtigt, så det er rart at gemme nogle prøver til senere analyse, hvis der kommer en bedre teknik."

"Speaking of cutting edge technologies, " Pitz said, "Another cool aspect of this experiment is that MBARI scientists Nathan Truelove and Charles Nye are using a desktop sequencer to sequence eDNA from water samples in near real-time—within a day or so."

"Benchtop sequencing has a higher error rate in reading the DNA than next-generation methods that involve large sequencing machines, " she explained. "So the data processing is a lot more challenging. But being able to sequence DNA in a day would be great compared to shipping samples out to a lab, which can take several weeks. Til sidst, we hope to be able to host this tiny sequencer on our LRAUV."

Although MBARI engineers have had great success building robots that communicate effectively with one another, Pitz noted that one of the biggest challenges in this experiment is keeping lines of communication open among the humans involved. "We need to decide the best times and places to collect samples while making sure the LRAUV doesn't burn out its battery or hit the bottom. This requires lots of communicating between the scientists, ingeniører, and marine operations staff. As a scientist at MBARI, one of the things I've learned is that, in order to get good scientific data, you need to work closely with the engineers to understand and adapt to the limitations of the equipment."

The Summer 2020 CANON experiment is a prime example of how researchers can collect vast amounts of useful data by sending robots instead of people out to sea. "This mode of operation will increase dramatically in the future, " said Chavez. "Not only because of COVID but because of the need for persistent and globally distributed observations of life in the sea."