MBARI は海洋生物学の解明に取り組んでいます

エレイン・マスリン • 13 6月 2023

MBARI の研究者は、長距離自律型水中ロボット (LR-AUV) を配備するためにモントレー湾に出発します。LR-AUV は、水面でプログラムされ、水中を数百マイル移動し、水の化学を測定し、水のサンプルを収集する水中ロボットです。。クレジット: Brian Kieft (c) 2015 MBARI

モントレー湾の調査船パラゴンに搭載された MBARI の長距離 AUV。クレジット: (c) 2018 MBARI

無人水上および水中車両の使用の増加と生物学的センシングの開発のおかげで、海で何が起こっているのかについてのより深い理解が現実になり始めています。 Elaine Maslin が、MBARI のチームが何をしてきたかを紹介します。

海洋から生物学的データを収集することは、海洋学者にとって依然として大きな課題です。現在、連携可能な無人車両がますます利用可能になり、それらを使用して生物学的データを収集できるようになりました。

単純そうに聞こえますが、従来、生物学的サンプルの収集と処理には、通常は調査船からサンプルを収集し、その後収集して実験室で処理することが含まれていました。その結果、斑点が生じたり、重要なイベントが見逃されたりする可能性があります。

また、水中探査機は必要な数のサンプルを保管したり、船上で分析できる実験装置を搭載したりするには十分な大きさではないため、これまで水中探査機で行うことは困難で非現実的でした。

カリフォルニア州モスランディングに本拠を置くモントレーベイ水族館研究所 (MBARI) のチームは、過去 25 年以上にわたり、いわゆる「エコゲノミクス」センサーソリューションに取り組んでおり、現在では複数の研究の一環として成果を上げています。車両の地上および地下でのミッション。
MBARI の SURF センター所長であるジム・バーチ博士は、この活動は微生物海洋学、つまり有害な藻類がどのようにしてなぜ発生するのかを理解することを含む、海洋の最小の生物の研究に対するグループの関心から始まったと述べています。バーチ博士は、昨年末にサウサンプトンで開催された国立海洋センターの海洋自律技術ショーケース（MATS）イベントで、この研究とその成果について語った。その結果、水サンプルをろ過し、バイオマスを処理して分析可能なサンプルを作成するコンパクトなロボットシステムである環境サンプルプロセッサー (ESP) が誕生しました。

ESPを搭載した長距離自律型水中ビークルがミッション終了後、R/V Falkorに回収される。
クレジット: 写真：Thom Hoffman / シュミット海洋研究所の提供。

ESP プログラムは、MBARI の現 CEO、Chris Scholin が MBARI の博士研究員だったときに始めました。目標は、サンプルを研究室に持ち帰ることなく、その場で有害な藻類ブルーム (HAB) を検出できるようにすることでした。最初の 10 年間は、有害な藻類を識別できる検出化学の開発に焦点を当てました。しかし、最初から「クリスのアイデアは、サンプルを忘れて研究室を海に置き、データだけを送り返すというものでした」とバーチ博士は言います。「『第一世代』ESPは、それが機能することを示すためにメイン湾に一度配備されたベータ型ロボットで、実際に機能しました。」

次に、50 ガロンのドラム缶のサイズに収まる第 2 世代 (2G) ESP が登場しました。 1 機は 2006 年頃にモントレー湾に配備され、その後その設計はマサチューセッツ州ファルマスにあるマクレーン研究所に商業化のライセンスが供与されました。バーチ博士によると、この機体は過去 14 年間「主力製品」であったそうです。 1G と 2G ESP は両方とも静的ロボットで、サンプリングしている水中に係留されるか、水を自動的にポンプで送り込めるエリアに設置されます。

「ESP が収集する『サンプル』は、実際には既知の量の水を濾過したときに残る物質です」と彼は説明します。サンプルは後の分析のために保存することも、ESP が現場で処理することもできます。処理には分子生物学が必要であり、そのためにはサンプル中の微生物を溶解して細胞内容物を放出する必要があります。「ESP は酵素溶解を使用し、熱と特別な酵素で細胞を破壊し、さまざまな方法で分析できるホモジネートまたはライセートを作成します」とバーチ博士は言います。

「私たちは機動性がESPの可能性を広げる可能性があることに早くから気づき、50ガロンのドラム缶に入っていたものをAUVペイロードとしてバスケットボール2個分の大きさにできるだろうかと考え始めました。」とバーチ博士は言います。偶然ですが、5～6年前の当時、MBARIはテチス級AUVをベースにした長距離AUV（LRAUV）を開発していました。その結果、新しいリングカートリッジ設計と磁気プッシュロッドプランジャーを備えた「第 3 世代」ESP (3G ESP) が誕生しました。これには、サンプルを保存および保管するためのアーカイブと、フィールドでの処理および分析用の「Lyse-n-go」という 2 種類のサンプルカートリッジが含まれています。

LRAUV はプロペラ駆動で、直径 30 cm、長さ 2.3 m (3G-ESP では 3.2 m)、車両重量 120 kg (3G-ESP では 160 kg) で、深さは 300 m です。推進に関連するシステムの多くを改良することにより、LRAUV は回収と再充電が必要になるまで 7 ～ 14 日間のミッションを実行できます。内部浮力エンジンにより、海洋全体に見られる生物学的に豊富な薄層をサンプリングしようとする際に重要な動作である、詳細な深度制御も可能になります。

このテクノロジーは、ハワイ大学とのプロジェクトでテストされ、ESP とともに 3 つの LRAUV を取得しました。その目標は、ディープ・クロロフィル・マキシマム（DCM – 最大濃度のクロロフィルを含む深さ約120メートルの領域）に生息する微生物集団を研究するために、船のスケジュールよりも多くの海へのアクセスを許可することでした。

このプロジェクトの集大成は 2018 年で、R/V Falkor (シュミット海洋研究所) が 2 台の MBARI LRAUV、3G ESP を搭載した Aku と標準計器パッケージとウェーブグライダーを備えた Opah を配備し、大規模な研究を行いました。、オアフ島北の中規模の渦（直径約150マイル）。アク氏は DCM の位置を特定し、クロロフィルの蛍光が最も高くなる深さの温度を特定するために降下しました。温度の関数として深さを制御することで、アクは浮上することなく DCM 内に 4 日間滞在することができました。漂流中、アク氏は各フィルタースタックに約 1 リットルの海水を汲み上げ、陸上での将来の分析に備えて濾液を RNA-Later で保存しました。

一方、Opah は USBL 測位を使用してアクを追跡し、アクを半径 800 メートルの円の中心に保ち、コンテキストデータを収集しました。その上空ではウェーブグライダーもアクーを追跡し、R/V ファルコーに位置と通信を提供しました。渦の中心を追跡するために、水面ブイを備えたドローンも発射されました。

合計 82 個のサンプルが、DCM 内、上または下から、9 昼夜サイクルにわたって 3 時間間隔で 1 リットルずつ収集、保存、アーカイブされました。

「この導入は大成功を収め、環境に対する微生物の反応のタイミングに興味を持っているエド・デロング氏は、漂流して水没した車両（つまり、同じ水塊内）から 4 時間ごとに水サンプルを収集することができました。」 4日間かかりました」とバーチ博士は言います。「それは素晴らしいデータセットを生み出しましたが、彼はまだ分析中です。」

2019 年 6 月、MBARI は別の ESP 車両プロジェクトを実行しました。今回はモントレー湾に近い場所で行われました。これは、従来の船外採水法と、2 台は ESP を備えた MBARI LRAUV のフリート、および 1 台は生物発光センサーを備えた i2MAP イメージング AUV とウェーブグライダーを組み合わせた、大規模でマルチアセットの実験でした。音響測深機を備えたセイルドローンと、他の2隻の調査船のうち、1隻にはビデオデータを収集できるROVが搭載されていました。

これらはすべて、2019 年 5 月から 6 月にかけて 1 週間にわたって、モスランディング沖合 37 キロ、深さ 900 メートルのモントレー加速研究システム (MARS) ケーブル天文台の周囲に配備されました。この天文台には、上向きソナーシステムであるディープエコー統合海洋観測システム ( DEIMOS) は海洋生物を検出し、AUV を追跡することができました。

目的は、湾内の動物プランクトンの日中（昼夜）移動を観察することでした。複数の車両を使用するということは、異なるスケールの水柱の異なる層を同時に調査できることを意味します。「このクルーズでは、船上のCTDとネットサンプリングと照合するために、ROV Ventanaを介して音響、遺伝、生物発光データを自律的に収集し、ビデオデータを収集することができました」と、クルーズに参加していたポスドクフェローのケイティ・ピッツ氏は述べています。「これらのさまざまな方法を通じて私たちが学んだことを明らかにするのはエキサイティングです。」

このプロジェクトは、将来の研究に刺激的な可能性をもたらしました。たとえば、海洋生物が集まる層を検出する DEIMOS の機能により、音響グラムのリアルタイム処理により、車両をほぼリアルタイムで関心のあるエリアに誘導することができます。

「最終的には、処理を車両自体に移し、プロセスから人間を完全に排除し、システムの開始時に人間が提供したパラメータを考慮して、車両が自ら関心のある領域を積極的に検索できるようにすることに取り組んでいます。実験です」とバーチ博士は言います。「これが未来だ。」

ESP に関しては、やるべきことはまだたくさんあります。現場でのサンプル処理（溶解と分析）は可能ですが、これらのプロセスを実行するカートリッジの方が使いやすい可能性がある、とバーチ博士は言います。「私たちは信頼性と使いやすさを最前線に据えた本格的な再設計を進めています。私たちの現在の取り組みは、シンプルさ、信頼性、製造性に重点を置いています。」部品の大量生産はコスト削減にもつながり、より多くの人がこの技術を使用できるようになります。しかし、まだまだ続きがあります。「私たちは遠隔自律 qPCR 機能を開発し、in situ 遺伝子配列決定の可能性を模索しています」とバーチ氏は言います。そうすればESPの能力はさらに高まるだろう。

これらの動きにより、世界中の他の研究者が装置を使いやすくなり、海洋についての理解がさらに深まるでしょう。

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