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成功演示了新技术，可以在遇到深海中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 图像海洋。

该项目的首席研究员、URI 教授布伦南·菲利普斯 (Brennan Phillips) 和来自 URI 等 6 个机构的 15 名研究人员组成的团队表明，确定是否发现新物种或稀有物种的过程可以缩短数年时间。他们的工作结果今天发表在《科学进展》杂志上。

URI 海洋工程系的机器人学家、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;加利福尼亚州蒙特利湾水族馆研究所 (MBARI);PA Consulting，一家专注于创新的全球性公司;该团队由纽约市立大学巴鲁克学院自然科学系组成。这篇论文代表了五年的研究。

研究报告称，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。研究表明，在与深海动物相遇后的几分钟内，就有可能捕获动物的详细测量结果和运动，获得整个基因组，并生成一份全面的表达基因列表，表明它们的生理状态深海。这些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收藏中发现的物理“正模”。

“目前，如果研究人员想要描述他们认为的新物种，他们将面临一个艰巨的过程，”菲利普斯说。“现在的做法是捕获一个标本，这非常困难，因为很多这些动物都非常脆弱且组织很薄，很可能你根本无法收集它们。但如果你成功收集到一个动物，然后将它保存在一个罐子里。然后开始一个漫长的过程，将该标本带到世界各地的不同收藏中，在那里它与现有的生物体进行比较。经过很长一段时间，有时长达 21 年，科学家们可能会达成共识这是一个新物种。

“再说一次，这些都是深海的、细小的动物。目前的工作流程并不合适。这是海洋中存在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预防灭绝研究有用，因为它提供了来自单次遭遇期间获得的单个标本的大量信息。这项工作还响应了研究人员日益增长的富有同情心的收集呼吁，通过使用先进技术收集信息来最大限度地减少对动物的伤害。未来的研究和开发可以在捕获和释放的框架内对深海生物进行完整的扫描和清查。

“我们的愿景是：海洋生物学家如何更好地理解和联系未来几十年或几个世纪的深海生物?” 纽约市立大学巴鲁克学院杰出生物学教授、国家地理学会探险家戴维·格鲁伯 (David Gruber) 说道。“这是一个跨学科团队如何协作工作的演示，在一次短暂的接触后提供有关深海生命的大量新信息。最终目标是继续沿着这条道路走下去，并将技术改进为微创技术尽可能地——类似于医生在深海中进行的检查!这种方法变得越来越重要，因为目前的灭绝率比背景灭绝率高出 100 倍。”

菲利普斯说，由于收集这些样本一直很困难，因此有许多深海物种尚未被识别。“当你审视气候变化和深海采矿及其潜在影响时，你会发现这令人不安，”菲利普斯说。“你意识到你没有完整的物种基线，你可能不知道你失去了什么，但为时已晚。如果你想知道在它消失之前曾经存在过什么，这是一种新的方法”。

该任务由施密特海洋研究所及其“设计未来”计划资助，在其研究船Falkor 上进行，包括 2019 年和 2021 年在夏威夷和圣地亚哥海岸进行的两次探险。该团队收集了多达 14 个保存完好的海洋生物。每天收集组织样本，以及数 TB 的定量数字图像。该研究共同提供了：

第一个完整组装和注释的海洋无脊椎动物Pegea被囊动物的转录组(在动物栖息地中产生的基因);

全浮游Tomopteris polychaete(海洋蠕虫)环境传感的分子基础的详细信息，该蠕虫一生都在水体中度过;

两种管水动物(由在链中一起生长的特殊部分组成的凝胶状浮游动物)的完整转录组详细信息 和Marrus claudanielis，以及Pegea被囊动物和Tomopteris多毛动物;

使用深度数字成像对每只动物进行完整的形态(形态和结构)表征。

该论文的主要作者、毕格罗实验室的高级研究科学家约翰·伯恩斯 (John Burns) 对在近 4,000 英尺深处采样的四只动物进行了基因组分析。

“我们在这些动物身上取得的成就是非凡的，”伯恩斯说。“对我来说，这一点在我们为Tomopteris蠕虫生成的序列数据中得到了最好的体现：我们在它探索环境时捕获了它，并能够推断出它正在使用头部附近的两条长感官胡须扫描水，以寻找‘甜食’。味道：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，我们就可以想象它如何在开放水域栖息地追踪化学痕迹来捕猎。” “我认为，如果没有团队工程师发明和使用的创新技术，这一切是不可能的，该技术可以在遭遇动物后的几分钟内完整保存来自动物的信息。”

伯恩斯说，格鲁伯的另一项研究着眼于捕获方法如何影响水母核糖核酸(即RNA)，它是生命的组成部分之一。即使是温和的收集，在大约 10 分钟的压力条件下，该信息序列也会开始发生变化。伯恩斯表示，“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拥有巨大的基因组：每一种动物的细胞中的 DNA 都是我们人类的近 10 倍!” 伯恩斯说。“对于第四个，通过更适中大小的基因组(大约是人类基因组大小的 3%)，我们能够使用最先进的测序方法来构建迄今为止最具凝聚力和完整的樽海鞘基因组。”

哈佛和 URI 为这次任务带来了一个旋转驱动的折叠十二面体 (RAD-2)，这是一种受折纸启发的创新机器人封装装置，它可以收集动物组织样本，并几乎立即在深处保存该组织。

哈佛大学工程与应用科学教授哈利·刘易斯和马林·麦格拉思机器人学家罗伯特·伍德表示：“我们正在看到新型海洋机器人对中层和深海勘探的影响。” “机器人不仅可以前往人类难以或不可能到达的地方，我们的设备还可以通过轻柔的触摸……或根本不触摸来进行调查、互动和收集标本。”

MBARI 生物灵感实验室的成像系统包括名为 DeepPIV 的激光扫描成像设备和名为 EyeRIS 的三维光场相机，能够测量和重建自然环境中动物的三维形态或体形。

“我们无法保护我们尚未完全了解的事物。先进的成像技术可以加速我们记录海洋生物多样性的努力。我们对海洋生物进行编目的速度越快，我们就能更好地评估和跟踪人类活动的影响，例如气候变化和采矿对海洋环境的影响，”MBARI 生物灵感实验室的生物工程师兼首席工程师 Kakani Katija 说。

菲利普斯说：“我们拥有这些配备先进成像系统的远程操作车辆，只需几分钟即可创建三维模型。” “我们能够在几秒钟内接近一只微小的水母，将高分辨率 3D 图像收集到控制室，我们的团队能够在几分钟内得知触手的长度正好是 5 毫米。然后，我们在几分钟之内就获得了同一动物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. Related Multimedia: Gelatinous deep sea creatures and ROV SuBastian 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