ランダーラボ：餌付き海洋着陸機の費用効率
生態系における種の多様性と分布を明らかにすることは、モニタリング研究のベースラインを設定するため、あるいは保全・修復戦略の成功を評価するために不可欠です。海洋・水生生態系のサンプリング方法は、ダイバーによるビデオ撮影のように非効率的で偏りがある場合もあれば、底引き網や引き網のように環境や生物多様性に悪影響を与える場合もあります。どちらも時間と費用がかかります。ベースラインを確立し、生物多様性をモニタリングするために、効率的で費用対効果の高いサンプリング方法を選択することは、生態学的研究において重要な考慮事項です。
選定された地点の全水柱における海洋生物のモニタリングのための2つの非侵襲的手法、すなわちベイトカメラシステムと環境DNA（eDNA）のメタバーコーディングを検討した。コスト比較、長所、短所、そして有効性の尺度を明らかにした。
「研究対象地域は限定されたものの、ここで提示された研究結果は、世界の水生生物多様性と保全監視プログラムに応用できる」とクラーク氏は論文に記している。
餌をつけたカメラ
底生生物研究用の自動タイムラプスカメラは、スクリップス海洋研究所/UCSD の John D. Isaacs 教授やウッズホール海洋研究所の Harold E. Edgerton 博士などの研究者によって 1950 年代から使用されてきました。
WHOIのハロルド・E・エドガートン氏（左）は、1953年の地中海調査中に、ジャック＝イヴ・クストーの調査船カリプソ号に係留された深海カメラシステムの設置を手伝っている。写真© 2010 MIT。MIT博物館提供。
1968年、スクリップス海洋研究所のジョン・D・アイザックス氏が仕掛けた餌付きカメラが深海に自由落下し、錨に取り付けられた餌に引き寄せられる未知の魚類やその他の腐肉食動物の姿を捉えました。アイザックス氏の研究は、静止画で海洋生物を特定し、動画で行動を捉えることを示しました。決められた時間に錨が解放され、カメラシステムは海面まで浮上して回収されます。画像提供：スクリップス海洋研究所/UCSD
餌付き遠隔水中ビデオ（BRUV）は、海洋生物多様性のサンプリングにおいて、ますます普及しつつある、効果的で非侵襲的かつ非破壊的な方法です。カニ籠のように海底に沈め、表面にフロートを取り付けたカメラシステムを用いて、浅い深度を調査することができます。撮影時間は日中のみに限られるため、照明や電池は必要ありません。これらのシンプルなシステムは、「餌付き遠隔水中ビデオ」（BRUV）プラットフォームと呼ばれています。
南アフリカ、チチカマのリーダーズリーフにおけるステレオベイト式遠隔水中ビデオ（BRUV）。撮影：ピーター・サウスウッド、許可を得て使用
BRUVシステムは、トロール漁などの抽出サンプリング方法よりも好まれます。多くの種が網を逃れたり、捕獲によって破壊されたりするからです。BRUVは静かで餌となるものも提供できるため、ダイバーによるビデオトランセクトよりも40%効率的に種数を記録できます。さらに、BRUVは永続的なサンプリング記録を提供し、観察者間の差異を軽減するためにレビューできるだけでなく、生息地の種類に関するデータも提供し、深海や構造が複雑な生態系にも導入できます。
BRUVは、多様な環境や生息地における種の豊富さと豊かさの相対的な指標を提供します。ステレオBRUVシステムは、魚の体長を計測できるだけでなく、デジタル被写界深度マップも作成できます。これにより、特徴や生物を周囲の環境から際立たせることができます。魚のサイズは、漁業管理報告に不可欠な指標であるバイオマスの代替指標として使用できます。より複雑な調査には、変動する酸素極小帯やその他の海洋物理的イベントが動物の地域個体群に及ぼす影響を測定・記録するためのセンサースイートが含まれる場合があります。複数のBRUV/海洋着陸船システムを同時に展開できるため、広大な地域を時間効率よく調査できます。
視野が重なり合うマルチカメラデジタル画像システムは、着陸船周辺の海底を360°パノラマで撮影できます。サーマルカメラは海洋研究において重要性を増しています。
アイザックス氏が示したように、自律型海洋着陸船はBRUVと同様に、降下錘を投下して浮上させる能力を利用して深海にアクセスすることができます。アンカーはタイマーまたは音響コマンドで投下されます。アンカーのコストと環境への影響は、フェロセメントを使用することで軽減できます。（Marine Technology Reporter、2024年11/12月号、40ページ、Lander Lab #12、「フェロセメントアンカー」参照）
BRUVと同様に、海洋着陸機は海洋生物の観察や海洋環境の変化のモニタリングのための、長時間、静穏かつ非侵襲的なプラットフォームを提供します。2つ目のタイマーは、バーンワイヤーを用いて小型のニスキン採水器を密閉し、後述するeDNA分析のための海底付近の水サンプルを採取します。水サンプルは、着陸機を海から引き上げてボートに積み込む際にのみ重量を増加させます。
他の研究では、BRUV/Landersの限界が指摘されています。濁水環境では視認性が低いため種の同定が困難になる可能性があり、また、腐肉食に関連する種の行動により、頂点捕食者が過剰に出現する可能性があります。さらに、餌の匂いは、必ずしもサンプリング地点の近隣ではない他の地域から種を引き寄せるため、真のサンプリングエリアがほとんど不明です。水柱の高所に生息する魚類、隠蔽性（カモフラージュ）種、定着性種も、BRUVを使用する場合には過小評価される可能性があります。最後に、映像分析は労力と時間と費用がかかる場合があります。
環境DNA（eDNA）のメタバーコーディングは、海洋生態系の調査でますます普及しているハイスループットDNAシーケンシング技術です。eDNAを使用する重要な利点は、サンプル採取が簡単で、必要な水量は2リットルと比較的少量です。単一の個体を識別する従来のDNAバーコーディングとは異なり、メタバーコーディングは複数の種を同時に識別し、生物多様性の幅広い概要を提供します。海洋生物から放出された皮膚細胞、鱗、排泄物、配偶子、その他の有機物などの遺伝物質は、堆積物や海底付近（底生）の海水中に存在します。これらはビデオクリップよりも長い時間スケールで堆積するため、日中の短時間の画像では確認できない種が明らかになる場合があります。少量のDNAは、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）技術を用いて増幅できます。
eDNA法は、多様な生態系の迅速な評価、侵入種の検出、そして群集構成の推定を可能にし、特定の生態系における生物多様性とバイオマスの全体像を描き出します。DNAは時間とともに分解しますが、環境中に残存するため、直接観察または捕獲されることなく、生物の存在を検出することができます。フィルタリングプロセスは簡便で、訓練、専門知識、そして現場での作業時間はほとんど必要ありません。この技術により、通常は写真法で必要とされる種の同定のための高度な分類学の専門知識が不要になります。
eDNAに基づくモニタリングには多くの利点がある一方で、限界もあります。環境中のeDNAの検出可能性には様々な要因が影響し、偽陰性（その地域に生息する種の検出に失敗する）または偽陽性（採取地域に生息しない種の検出）につながります。検出確率は、生物的要因と非生物的要因、例えば体の大きさ、生活史段階、食性、回遊などに関連する種特有のeDNAの生成と分解によって左右されます。また、高潮位や海流によるeDNAの輸送、紫外線強度、pH、水温によるeDNAの減衰率も検出確率に影響を与える可能性があります。さらに、サンプル採取から処理に至るまで、サンプルが汚染される可能性もあります。
eDNA のもう 1 つの制限は、運用分類単位 (OTU) を翻訳するために使用される参照データベースが、特に研究があまり行われていない世界の一部の地域で見つかった種に関しては、まだ不完全であることです。
サセックス湾（英国）、調査、2021年
この研究の目的は、(1)BRUVとeDNAを使用して得られた種の集合指標を比較すること、(2)2つのeDNAメタバーコーディングプライマーの感度を比較すること、(3)eDNA複製の重要性を調査すること、(4)海洋脊椎動物種の存在を検出するための両方の調査技術に必要なコストと労力を比較することです。
これらの生物モニタリング手法の試験地として、英国南岸のサセックス湾が選定されました。過去の曳航式ビデオトランセクトで選定された29地点において、海洋脊椎動物の生物多様性の存在が調査されました。サンプルは2021年7月5日から21日までの午前8時から午後5時の間に採取されました。
彼らの研究では、3台のカメラを搭載したBRUVプラットフォームが使用されました。2台は一方向を、もう1台は後方を撮影しています。ビデオ画像は右側のカメラのみの映像を用いて分析され、右側のカメラが故障した場合や海藻に遮られた場合に備えて左側のカメラも使用されました。画像は日中に撮影されたため、照明は使用されていません。
29地点それぞれに、150m間隔で3台のBRUVシステムをボートで順次設置し、海底に最大75分間設置して撮影を行いました。魚類および海洋脊椎動物は、可能な限り低分類レベルまで観察・同定されました。
BRUVリグの展開中に、29地点それぞれでeDNAサンプルを採取しました。メッセンジャーウェイトで作動するケマーラーサンプラーを用いて、海底から1メートルの高さで水サンプルを採取しました。eDNAの汚染と劣化を最小限に抑えるため、各サンプルは船上で直ちに濾過しました。本研究では、合計87回のBRUV展開が行われ、87個のeDNAサンプルが採取されました。
結果
eDNA メタバーコーディングとビデオ調査を併用すると、さまざまな深さの海洋生態系を監視できる可能性が高まります。
サセックス湾におけるeDNAと水中ビデオを比較した研究では、BRUV調査の方が全体的なコストは低いものの、検出された種の数を考慮するとeDNAモニタリングの方が費用対効果が高いことが判明しました。しかし、BRUV調査とは対照的に、eDNAで検出された種は、前述の通り、特定の採取地点よりも広い地理的領域に生息する種を代表する可能性が高いと考えられます。
また、eDNA物質の蓄積には時間的な変動があり、時間帯やビデオサンプルの長さによっても変動するため、固有のバイアスが生じる可能性があります。また、底層カメラでは頭上の水柱に魚が映る可能性は低いでしょう。
eDNAとBRUVによる種検出のベン図。環境DNA（eDNA）調査では、両調査で検出された種の大部分（81種中78種）が捕捉され、ベン図の中央と右側の領域に該当します。BRUV調査では、81種中27種が特定され、ベン図の中央と左側の領域に該当します。両手法とも、12科に属する同じ24種を特定しました。画像は許可を得て使用しています。インフォグラフィックは、NatureMetricsとの協力により、Alice Clarkがデザインしました。
コストと労力の比較
BRUVの費用には、カメラリグ、餌、ボートのレンタル、そして映像分析のための人件費が含まれています。BRUVリグは初年度に製作され、その後4年間再利用される予定であるため、初年度は当然のことながら、その後の年よりも費用が高くなります。
eDNAの費用には、Kemmererサンプラー、海上濾過システム、ボートレンタル、eDNAキット、そしてNatureMetricsによる分析費用が含まれていました。繰り返しになりますが、購入した機器は毎年再利用されるため、初年度は翌年よりも費用が高くなります。分析を社内で行う場合と外部委託する場合の費用を比較検討しました。BRUVビデオ分析には社内eDNA分析とは異なるレベルの専門知識が必要であるため、それぞれの方法の人件費を計上しました。フィールドワークの実施に要した時間も計上しました。
BRUV調査、社内サンプル分析を伴うeDNA調査、外部サンプル分析を伴うeDNA調査のコスト比較。コストは、機材、フィールドワーク、分析の3つのカテゴリーに分類されました。全体として、BRUV調査は最も手頃な価格のバイオモニタリング手法であり、外部サンプル分析を伴うeDNA調査は最も高価でした。インフォグラフィックは、NatureMetricsと共同でAlice Clarkが作成しました。
5年間という期間において、BRUV調査は、外部委託および社内eDNA調査の両方と比較して、最も低コストであることが証明されました。しかしながら、eDNA分析ではより多様な種が検出され、結果として、前述の制約はあるものの、検出種あたりのコストは低くなります。
今後 5 年間のサンプリングにかかるコストを見積もる際には、インフレの影響や eDNA シーケンシングのコストが下がる可能性は考慮されませんでした。
同様に、ビデオ技術も今後数年間で大きな進歩を遂げると予想されます。過去の研究では、ビデオ映像の分析にかかる時間は、録画された映像の長さの2倍に及ぶと推定されています。しかし、ディープラーニングや関連AIツールの急速な発展により、ビデオ分析の自動化、あるいは部分的な自動化が可能になり、ビデオ映像の分析にかかる時間と労力は大幅に削減される可能性があります。カメラ技術もより手頃な価格になり、解像度も向上しているため、個体群特性をより正確に特定することが可能になっています。
今後の展望
サセックス湾の研究者らが特定した上部フィルタリングおよび保存技術を含む、最低 24 時間周期のビデオ撮影と eDNA 用の水サンプル採取の両方が可能な BRUV または海洋着陸船は、数年間継続して使用できる費用対効果の高い監視ツールを提供します。
編集者注:
着陸船の運用コストは、科学論文にほとんど盛り込まれていません。この Lander Lab の記事は、英国ブライトンのサセックス大学研究生 Alice J. Clark 氏らによる、よく検討された学術論文「海洋生態系のモニタリングにおける餌付き遠隔水中ビデオ (BRUV) と環境 DNA (eDNA) の費用対効果分析」に触発されて作成されました。著者らは、2 種類の非侵襲的サンプリング方法の費用対効果を、長年のトロール漁と激しい嵐から回復しつつある沿岸海洋保護区の現場でテストしました。これらの方法は、研究の対象地域と期間に適しています。この記事には、元の論文を補足する追加資料が加えられています。読者は、科学的手法、分析、結論の詳細について、オンラインで元の全文を読むことをお勧めします。以下に引用文献を示します。この記事で説明されている BRUV というテーマは、NGO「Beneath the Waves」( beneaththewaves.org ) の研究科学者 Zachary Graff 博士から提案されたものです。
引用
Clark AJ, Atkinson SR, Scarponi V, Cane T, Geraldi NR, Hendy IW, Shipway JR, Peck M. 2024. 海洋生態系モニタリングにおける餌付き遠隔水中ビデオ（BRUV）と環境DNA（eDNA）の費用対効果分析. PeerJ 12:e17091
引用を含む全文論文はPeerJ https://peerj.com/articles/17091/でご覧いただけます。
2024年4月30日発行
「Lander Lab」は、無人潜水艇の一種であるオーシャンランダーの技術と戦略、そしてその開発に携わる人々を紹介する実践的なコラムです。Make MagazineなどのDIYコミュニティと同様に、世界中の海洋ランダーコミュニティに貢献することを目的としています。
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