突破！深海生物学：革命性数字综合研究方法

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海洋探索领域的革命性进展，已经改变了人类对海洋生物的认识。深海里有什么样的生物呢？科学家们又是怎样研究深海生物的呢？近日，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编读到一篇于2024年1月发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上的最新研究，约翰·伯恩斯等科学家们在施密特海洋研究所进行的研究中，采用了一种新的综合方法，结合了水下成像技术、机器人技术和基因组测序技术，旨在深入了解深海生物。

（上图：一种基于ROV的深海中水动物原位成像和捕获的数字综合策略。ROV SuBastian的技术布局突出了研究人员所用的仪器在机械臂和ROV滑雪板上的位置，以及2021年8月探险的原位数字综合工作流程的示例。成像/采样步骤以颜色编码，并按照典型的数据收集顺序进行枚举，每个仪器显示了一个动物样本（M. claudanielis）的示例数据。（1）使用ROV 4K科学摄像头进行初始标本观察和视频/静态图像捕捉；（2）EyeRIS光场图像；（3）DeepPIV激光成像扫描；（4）RAD-2组织采样；和（5）原位保存。遗传测序是在岸上完成的，包括从原位保存的组织中提取DNA和RNA。ROV模型由施密特海洋研究所的J·威廉姆斯设计。John A. Burns et al. ）

该研究提出、并演示了一种综合的跨学科方法，利用新兴的定量成像技术、创新的机器人封装系统以及原位RNA保存和下一代基因组测序技术，从深海生物中获取全面的生物学、生物物理学和基因组数据。

这项研究的目的是：利用各种数据，让我们更全面地了解深海生物的外观和基因信息，比起传统的观察方法和保存标本，效果更好。这种新方法能帮助人们更好地研究海洋里脆弱的动物，对提升人类对海洋的认识有很大帮助。

深海环境，毕竟是地球上较少了解和更难研究的生态系统之一。与火星表面相比，我们对地球深海的了解甚至更为有限。尽管人类能够进入各种陆地生态系统已有几千年的历史，但深海生物环境的探索和研究则只有几百年的历史。远程操作车（ROVs）等现代技术的出现，使得人类能够与深海生物进行互动，然而，大多数这些技术的发展更多地受到工业部门和国防相关行业的推动。所幸，近年来软体机器人等技术的发展更多地侧重于对脆弱的海洋生物的精细操作，这些技术是与海洋生物学家合作发展的，为他们的研究提供了便利。结合先进的水下成像技术，我们现在能够将之前仅在受控实验室环境中可能的生物学探究扩展到深海脆弱动物身上。

为了收集丰富的数据以识别、描述和进一步了解深海生物，该研究将机器人学、深海标本封装、定量三维成像和分子生物学的跨学科协同作用结合在一起。通过结合水下成像和移动机器人平台，他们开启了实现深海海洋生物定量观察的新机制。他们报告了一个工作流程和技术套件，包括结构化成像、封装、原位保存和基因组测序，为深海生物学研究提供了丰富的信息。

该研究进行了两次研究探险，分别在施密特海洋研究所的R/V Falkor号上进行，ROV SuBastian号是一种4500米额定的工作级ROV系统。第一次探险于2019年10月12日至17日在夏威夷州奥胡岛西海岸进行，第二次探险于2021年8月12日至21日在加州圣迭戈海岸进行。两次探险分别以技术测试和成像与生物学原位调查为主要目标。在2021年8月的综合探险中，共进行了七次ROV潜水，持续10天。每次潜水平均持续时间约为8小时，以观察海洋动物的昼夜迁移模式。

（上图：使用定制成像系统EyeRIS和DeepPIV进行定量成像。突出标本的定量图像用于基因分析。（A）安装在ROV SuBastian上的两台摄像头及其在原位的操作。EyeRIS安装在一个机械臂上，而DeepPIV则安装在ROV甲板的中央位置。（B）四种代表性标本的定量渲染的2D图像。（1）利用DeepPIV激光片图像重建的水母虫M. claudanielis，（2）salp Pegea sp.，和（3）水母虫Erenna sp.。4）利用EyeRIS光场相机拍摄的多毛动物Tomopteris sp.的图像，左上角显示了比例尺。每个标本的视频漫游可通过表S13中的链接获取。（A）中的原位图像由ROV SuBastian上的4K科学摄像头捕获，R/V Falkor，施密特海洋研究所。（B）中的3D模型由Katija实验室生成。比例尺为2厘米，不代表动物或渲染的深度或倾斜。John A. Burns et al. ）

ROV SuBastian号配备了三种创新的中水层探测系统，包括深层粒子图像测速术（DeepPIV）激光成像系统、安装在ROV滑雪板上的EyeRIS（远程成像系统）光场相机系统，以及用于标本封装和组织采样的旋转驱动的十二面体（RAD-2）。这些系统在每次ROV潜水中几乎同时运行，利用ROV科学摄像机在前进中水途中视觉识别目标生物。

首先，科学家们使用远程操作车（ROV）的摄像头记录了生物的外观，并使用EyeRIS和DeepPIV等成像系统进行定量成像。然后，他们使用RAD-2捕捉动物，并利用McLane Labs的SuPR采样器收集动物组织样本。这些样本会被保存起来，以便后续的遗传分析。除了使用成像技术外，科学家们还使用EK60渔业回声探测系统来识别高生物密度的区域，以帮助引导他们的探索路径。

在实地探测的过程中，科学家们在每次8小时的ROV潜水中平均遇到并采集了五个目标生物。他们采用了深海级别的EyeRIS和DeepPIV技术来获取这些生物的内部和外部形态数据。通过这些数据，他们得以对61个不同的生物个体进行了尺寸和形态的测量，对49个生物个体进行了3D扫描。科学家们还通过分子生物学方法鉴定了其中四种代表性深海中水动物的基因信息，包括两种水母虫、一种水螅和一种管口动物。

通过对样本的研究和分析，科学家们成功地识别出了多种深海生物，包括Pegea sp.、Tomopteris sp.、Marrus claudanielis和Errena sp.等。他们的研究还表明，虽然在成像和采样过程中仍然存在一些挑战，但这些技术的出现为深海生物学研究提供了新的可能性。同时，他们开发的RAD封装机制也为动物组织的采集和保存提供了一种新的方式，使得在野外环境中进行生物实验成为可能。

海洋与湿地·小百科

远程操作车

远程操作车（ROVs）是一种无人潜水器，通常被用于进行水下探测和作业。这些机器人由地面或船只上的操作员通过电缆进行遥控操作。ROVs通常配备有摄像头、传感器和其他工具，可以在水下进行各种任务，如观察海底环境、检查海底设施、收集样本等。它们在海洋科学、深海探索、海洋工程等领域发挥着重要作用，能够进入人类无法直接到达的深海环境，从而帮助科学家们开展水下研究和任务。

施密特海洋研究所

施密特海洋研究所（Schmidt Ocean Institute，简称SOI）是一家致力于推动海洋科学研究的美国非营利性机构，由慈善家埃里克·施密特、温迪·施密特于2009年创立，总部位于加利福尼亚州的帕洛阿尔托。该所以其开创性的工作和对海洋的热情而著称，核心工作包括运营全球唯一的慈善研究船“福尔克号”，支持各种海洋科学研究项目，开发海洋探索技术（包括远程操作车辆、自主潜水器），以及通过教育和公众参与活动提高人们对海洋的认识。这些努力对于提高人们对海洋的认识和保护海洋环境至关重要。

施密特海洋研究所的工作对提高人们对海洋的认识和保护海洋环境具有重要意义。通过提供最先进的科研平台、支持国际科学合作、开发创新技术以及传播海洋知识，该研究所取得了许多重要成果，如2021年发现100多种新的海洋生物、2020年发布了全球首张完整的海底3D地图以及研究海洋酸化和气候变化的影响、2022年在太平洋底发现了1600米高的巨型海山等等。

思考题 | 举一反三

深海环境复杂，传统样本采集通常需要依靠船只和潜水器械，操作受限、且成本高昂。而且，标本保存起来也比较困难，因为传统的样本保存方式可能导致样本变形或者生物结构损坏（尤其是对于柔软的海洋生物而言）；此外，传统的观察方法通常依赖于保存标本、或者二维影像，也较为难以全面展现深海生物的立体结构、以及细微的特征。这项研究，无疑提供了一种新的思路。现在让我们来思考这样的几个问题：

Q1. 深海中的生物到底有多复杂？科学家是如何利用4K摄像头、EyeRIS和DeepPIV等先进技术，采集了多少个生物样本、并进行了定量成像？

Q2. 在研究中，科学家们使用了McLane Labs的SuPR采样器收集了65个组织样本，但并非每个样本都适合成像和采样。这些技术的局限性有哪些？未来如何改进这些技术以提高样本采集的效率和质量？

Q3. 在采集深海生物样本的过程中，科学家们遇到了哪些挑战？他们是如何解决这些挑战的，使得科学研究能够顺利进行？

Q4. RAD封装机制如何在深海生物研究中发挥作用？它到底有多有效，使得科学家们能够在野外环境中进行生物实验并保存样本？展望未来的话，在深海研究领域，RAD封装机制可能会带来哪些新的突破和应用？

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新闻源 | Science Advances

编译 | Wendy

审核 | Sara

排版 | Sara

本文来自“海洋与湿地”微信公众号