海洋科技新突破！未知深海物种“数字标本”问世，秒捕脆弱生物

“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，据美国罗德岛大学的官网在2024年1月17日发布的一篇报道，罗德岛大学海洋工程和海洋学教授布伦南·菲利普斯（Brennan Phillips）教授带领的多学科研究团队成功展示了一种新技术，该技术可在几分钟内获取深海中一些最脆弱动物的保护组织和高分辨率3D图像。

该团队由15名研究人员组成，包括来自罗德岛大学、缅因州东布斯湾的比格洛海洋科学实验室、哈佛大学工程与应用科学学院、加利福尼亚州蒙特雷湾水族研究所、全球创新咨询公司PA Consulting以及纽约市立大学巴鲁克学院自然科学系的科学家。这项研究成果发表于最新一期的《科学进展》，是对深海生物研究领域的一次重大突破。

一个旋转致动的十二面体（RAD-2）封装了全浮游多毛动物——Tomopteris（一种海洋蠕虫）。视频来自远程操作车SuBastian科学摄影机，由施密特海洋研究所提供。图源：罗德岛大学官网

【革命性技术带来深海探索变革】

研究指出，水下成像、机器人技术和基因组测序等革命性技术已经重新定义了深海探索。研究团队展示了一种新方法，能够在与深海动物接触的几分钟内获取详细的测量和运动数据，获取整个基因组，并生成详尽的基因表达清单，从而创建了动物的“数字标本”。

菲利普斯教授指出，目前描述新物种的过程相当繁琐，通常需要捕捉、保存并比较标本，这在对深海脆弱生物而言尤为困难。由于这些动物脆弱而纤薄，捕捉难度大，导致许多深海物种尚未被鉴定。这项新技术的出现将有望缩短物种发现过程，提供更为高效的研究手段。

上图：研究中观察和采样的明胶状深海动物的复合图像。从左上方开始，顺时针方向依次为全浮游多毛动物Tomopteris sp.、链水母Marrus claudanielis、链水母Erenna sp.和鞘水母Pegea sp.。照片由ROV SuBastian科学摄影机，施密特海洋研究所提供。图源：罗德岛大学官网

【丰富数字数据助力物种保护研究】

该研究获得的信息不仅对于物种保护研究有重要价值，还响应了研究人员对使用先进技术进行信息收集以最小化对动物的伤害的呼吁。未来，这项技术有望在捕获和释放框架内对深海生命进行全面扫描，为深海生态系统提供更全面的了解。

此次研究得到了史密斯海洋研究所及其“设计未来”计划的资助，在其研究船Falkor上进行了两次远征，分别在2019年和2021年前往夏威夷和圣地亚哥沿海。团队每天收集多达14个保存组织样本，以及用于量化数字图像的几TB，为后续研究提供了丰富的数据。

上图：一种基于ROV的深海中水动物原位成像和捕获的数字合成策略。ROV SuBastian的技术布局突出了我们的仪器在操作器臂和ROV滑板中的位置，以及2021年8月远征的动物标本原位数字合成的示例工作流程。成像/采样步骤以颜色编码，并按照数据收集的典型顺序进行编号，每个仪器都显示了一个动物M. claudanielis的示例数据。(1) 使用ROV 4K科学摄影机进行初始标本观察和视频/静态图像；(2) EyeRIS全视场光场图像；(3) DeepPIV激光成像扫描；(4) RAD-2组织采样；(5) 原位保存。遗传测序是在陆地上完成的，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. Williams提供。图源：JOHN A. BURNS等人

这一突破性技术的实现得益于多学科团队的协同努力，涵盖了机器人学、海洋工程、生物工程和分子生物学等多个领域。该团队的合作包括罗德岛大学、比格洛海洋科学实验室、哈佛大学、蒙特雷湾水族研究所、PA Consulting以及纽约市立大学巴鲁克学院等多个机构。这标志着对深海生物研究的一次集体进步，有望为未来的海洋科学研究提供新的方法和工具。

【思考题】学而时习之
Q1: 如何通过新技术在深海中获取脆弱动物的组织样本和高分辨率3D图像，相较于传统方法有哪些显著的技术优势？

Q2：在科学研究中，通过数字数据创建“数字标本”相较于传统“物理模式”有何优越之处，对于物种发现和分类是否开启了新的可能性？对于深海动物的原位保存技术，其在动物保护和生态研究中有哪些潜在的应用和益处？

Q3：这项技术的创新点主要体现在哪些方面，包括工程学、生物学和基因组学等领域的跨学科合作如何推动了深海生物研究的前进？

Q4：通过这项技术的实施，我们如何更迅速、全面地了解深海生物的形态学特征、基因组信息，以及它们在深海环境中的生理状态？这对于生态学和环境保护有何深远的意义？

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编译 | Wendy

审核 | Sara

排版 | 绿叶

【全文参看】

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

【参考资料】

https://www.uri.edu/news/2024/01/uri-professor-leads-effort-demonstrating-success-of-new-technology-in-conducting-deep-sea-research-on-fragile-organisms/

DeepPIV https://mbari.org/technology/deeppiv