对脆弱生物进行深海研究的新技术

罗德岛大学海洋工程和海洋学教授与来自多个机构的多学科研究团队合作，成功展示了新技术，可以在深海中遇到一些最脆弱的动物后几分钟内获得保存的组织和高分辨率3D图像。

URI大学教授Brennan Phillips是该项目的首席研究员，他和来自URI等六个机构的15名研究人员组成的团队已经证明，确定是否发现了新物种或稀有物种的过程可以缩短数年时间。他们的研究成果发表在今天的杂志上科学进展.

来自URI海洋工程系的机器人专家、海洋工程师、生物工程师以及海洋和分子生物学家;缅因州东布斯贝的毕格罗海洋科学实验室;哈佛大学工程与应用科学学院;加州蒙特里湾水族馆研究所(MBARI);专注于创新的全球公司PA Consulting和纽约城市大学巴鲁克学院自然科学系组成了这个团队。这篇论文代表了五年的研究成果。

该研究称，水下成像、机器人技术和基因组测序的革命性进步重塑了海洋探索。这项研究表明，在与深海动物相遇的几分钟内，就有可能捕捉到动物的详细测量结果和运动，获得完整的基因组，并生成一个全面的基因表达列表，这些基因表明它们在深海中的生理状态。这种丰富的数字数据的结果是单个动物的“网络类型”，而不是传统上在博物馆藏品中发现的物理“正模式”。

菲利普斯说:“目前，如果研究人员想要描述他们认为是新物种的物种，他们面临着一个艰巨的过程。“现在的做法是采集标本，这非常困难，因为许多这类动物非常脆弱，组织很薄，你可能根本无法采集它们。但是如果你成功地收集了一只动物，你就把它保存在罐子里。然后开始一个漫长的过程，将标本带到世界各地的不同收藏地，与现有的生物进行比较。经过很长时间，有时长达21年，科学家可能会达成共识，认为这是一个新物种。

“再说一次，这些是深海中细长的小动物。当前的工作流程不合适。这是我们在海洋中有如此多未描述物种的主要原因。”

从这项研究以及随后的其他研究中获得的信息可能对灭绝预防研究有用，因为它提供了从单次相遇中获得的单个样本的丰富信息。这项工作也回应了研究人员越来越多的呼吁，即通过使用先进的技术收集信息来尽量减少对动物的伤害。未来的研究和开发可以在一个捕获和释放的框架内对深海生物进行全面扫描和清查。

“愿景是:海洋生物学家如何在未来几十年或几个世纪更好地了解深海生物并与之建立联系?”纽约城市大学巴鲁克学院的杰出生物学教授、国家地理学会的探险家大卫·格鲁伯说。“这是一个跨学科团队如何在短暂相遇后合作提供大量深海生物新信息的示范。最终目标是继续沿着这条路走下去，并尽可能将技术改进为微创-类似于医生在深海中的检查!随着当前灭绝率比背景灭绝率高出100倍，这种方法变得越来越重要。”

菲利普斯说，由于收集这些样本一直很困难，因此还有许多深海物种有待识别。菲利普斯说:“当你看到气候变化和深海采矿及其潜在影响时，这令人不安。“你意识到你没有一个完整的物种基线，你可能不知道你失去了什么，否则就太晚了。如果你想知道什么东西在消失之前一直在那里，这是一种新的方法。”

这项任务由施密特海洋研究所及其设计未来项目资助，并在其研究船上进行法尔科，包括2019年和2021年在夏威夷和圣地亚哥海岸的两次探险。该团队每天收集多达14个保存的组织样本，以及数万亿字节的定量数字图像。总之，该研究提供了:

第一个完整的组装和注释转录组(在动物栖息地制造的基因)佩吉亚被囊动物，一种海洋无脊椎动物;

全浮游生物环境感知的分子基础细节断层蕨多毛类动物(海洋蠕虫)，一生都生活在水柱中;

两种管水母(凝胶状浮游动物，由成链生长的特殊部分组成)的完整转录组细节埃伦纳物种和克劳达涅利斯，以及佩吉亚被囊的和断层蕨多毛类;

在深度使用每只动物的数字成像进行完整的形态学(形态和结构)表征。

该论文的第一作者约翰·伯恩斯是毕格罗实验室的高级研究科学家，他对四只在近4000英尺深处采样的动物进行了基因组分析。

伯恩斯说:“我们在这些动物身上取得的成就是非凡的。“对我来说，这在我们为断层蕨蠕虫:我们在它探索环境时捕捉到了它，并能够推断出它正在用头部附近的两根长感觉胡须扫描水，寻找“甜味”:可能是与猎物有关的糖，也可能是氨:典型猎物的废物。

伯恩斯说:“有了这些信息，我们可以想象它是如何在开放水域栖息地通过化学踪迹进行捕猎的。”“我认为，如果没有团队工程师发明和采用的创新技术，在相遇后几分钟内完全保存动物的信息，这是不可能的。”

伯恩斯说，与格鲁伯合作的另一项研究着眼于捕捉方法如何影响水母的核糖核酸，即RNA，RNA是生命的基石之一。即使是温和的收集，在大约10分钟的压力条件下，信息的顺序也会开始改变。据伯恩斯说，设计未来技术通过在动物细胞开始对压力做出反应之前保存信息来克服这一问题。

“我们还发现，我们捕获的三种动物都有巨大的基因组:每种动物的细胞DNA都是我们人类的近10倍!”彭斯说。“对于第四种情况，由于基因组规模较小(约为人类基因组的3%)，我们能够使用尖端的测序方法构建迄今为止最具凝聚力和最完整的salp基因组。”

哈佛大学和URI大学为此次任务带来了一种旋转驱动的折叠十二面体(RAD-2)，这是一种创新的折纸灵感机器人封装设备，可以收集动物组织样本并几乎瞬间将组织保存在深处。

哈佛大学工程和应用科学教授、机器人专家罗伯特·伍德说:“我们正在见证新型海洋机器人对中层和深海勘探的影响。”“机器人不仅要去人类难以或不可能到达的地方，我们的设备还可以通过轻轻触摸或完全不触摸来调查、互动和收集标本。”

MBARI生物灵感实验室的成像系统包括一台名为DeepPIV的激光扫描成像设备和一台名为EyeRIS的三维光场相机，能够测量和重建动物在自然环境中的三维形态或体型。

“我们无法保护我们尚未完全理解的东西。先进的成像技术可以加快我们记录海洋生物多样性的努力。我们越快对海洋生物进行分类，我们就越能更好地评估和跟踪气候变化和采矿等人类活动对海洋环境的影响，”MBARI生物灵感实验室首席工程师、生物工程师卡卡尼·卡蒂亚说。

菲利普斯说:“我们有这些带有先进成像系统的远程操作车辆，它们可以在几分钟后创建一个三维模型。”“我们能够在几秒钟内接近一只微小的水母，将高分辨率的3D图像收集到控制室，我们的团队能够在几分钟内判断出触手的长度正好为5毫米。然后，我们在几分钟内获得了同一只动物的保存极其完好的组织样本。”

来源: Materials provided by University of Rhode Island.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: John A. Burns, Kaitlyn P. Becker, David Casagrande, Joost Daniels, Paul Roberts, Eric Orenstein, Daniel M. Vogt, Zhi Ern Teoh, Ryan Wood, Alexander H. Yin, Baptiste Genot, David F. Gruber, Kakani Katija, Robert J. Wood, Brennan T. Phillips. An in situ digital synthesis strategy for the discovery and description of ocean life. Science Advances, 2024; 10 (3) DOI: 10.1126/sciadv.adj4960