MBARI अनलॉकिंग ओशन बायोलॉजी में काम करता है

MBARI के शोधकर्ता एक लंबी दूरी के स्वायत्त पानी के नीचे के वाहन (LR-AUV) को तैनात करने के लिए मोंटेरी बे में जाते हैं, एक पानी के नीचे का रोबोट जो सतह पर प्रोग्राम किया जाता है और फिर सैकड़ों मील तक पानी के नीचे की यात्रा करता है, पानी के रसायन को मापता है और पानी के नमूने एकत्र करता है। . साभार: ब्रायन कीफ्ट (c) 2015 MBARI

MBARI की लंबी दूरी की AUV मोंटेरे बे में अनुसंधान पोत पैरागॉन पर सवार है। साभार: (c) 2018 MBARI

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मानव रहित सतह और पानी के नीचे के वाहनों के बढ़ते उपयोग और जैविक संवेदन में विकास के कारण समुद्र में क्या चल रहा है, इसकी अधिक समझ एक वास्तविकता बनने लगी है। ऐलेन मसलिन एमबीएआरआई की एक टीम क्या कर रही है, इस पर एक नज़र डालती है।

महासागरों से जैविक डेटा एकत्र करना समुद्र विज्ञानियों के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है। अब, मानव रहित वाहनों की एक बढ़ती हुई श्रृंखला उपलब्ध हो रही है जो एक साथ काम करने में सक्षम हैं, साथ ही उनका उपयोग करके जैविक डेटा एकत्र करने की क्षमता भी उपलब्ध हो रही है।

यह सीधे आगे लगता है, लेकिन परंपरागत रूप से जैविक नमूनों के संग्रह और प्रसंस्करण में नमूने एकत्र करना शामिल है, आमतौर पर एक शोध जहाज से, जिसे बाद में इकट्ठा किया जाता है और एक प्रयोगशाला में प्रसंस्करण के लिए ले जाया जाता है। नतीजा पैची हो सकता है या महत्वपूर्ण घटनाओं को याद कर सकता है।

पानी के नीचे के वाहनों के लिए ऐसा करना मुश्किल और अव्यावहारिक भी रहा है, क्योंकि वे इतने बड़े नहीं हैं कि जितने नमूनों की जरूरत होगी उन्हें स्टोर कर सकें या प्रयोगशाला के उपकरण ले जा सकें जो ऑनबोर्ड विश्लेषण कर सकें - अब तक।

मॉस लैंडिंग, कैलिफ़ोर्निया स्थित मोंटेरे बे एक्वेरियम रिसर्च इंस्टीट्यूट (MBARI) की एक टीम पिछले 25 वर्षों से एक तथाकथित "पारिस्थितिक" सेंसर समाधान पर काम कर रही है और अब यह बहु-विषयक के हिस्से के रूप में परिणाम प्राप्त कर रही है। सतह पर और नीचे वाहन मिशन।
MBARI के SURF केंद्र के निदेशक डॉ. जिम बर्च का कहना है कि इसकी शुरुआत माइक्रोबियल समुद्र विज्ञान में एक समूह की रुचि के साथ हुई - समुद्र में सबसे छोटे जीवों का अध्ययन, जिसमें यह समझना भी शामिल है कि हानिकारक शैवाल कैसे और क्यों खिलते हैं। डॉ बिर्च ने पिछले साल के अंत में साउथेम्प्टन में राष्ट्रीय समुद्र विज्ञान केंद्र की समुद्री स्वायत्तता और प्रौद्योगिकी शोकेस (एमएटीएस) कार्यक्रम में काम और उसके परिणामों के बारे में बात की थी। नतीजा एक पर्यावरण नमूना प्रोसेसर (ईएसपी) है, एक कॉम्पैक्ट रोबोटिक सिस्टम जो पानी के नमूने को फ़िल्टर करता है और फिर विश्लेषण योग्य नमूने बनाने के लिए बायोमास को संसाधित करता है।

ईएसपी ले जाने वाला एक लंबी दूरी का स्वायत्त पानी के नीचे का वाहन एक मिशन के बाद आर/वी फाल्कोर को बरामद किया गया है।
क्रेडिट: थॉम हॉफमैन द्वारा फोटो / श्मिट ओशन इंस्टीट्यूट के सौजन्य से।

ईएसपी कार्यक्रम की शुरुआत एमबीएआरआई के वर्तमान सीईओ क्रिस स्कोलिन ने की थी, जब वह एमबीएआरआई में पोस्ट-डॉक्टर थे। लक्ष्य प्रयोगशाला में नमूने वापस लिए बिना स्वस्थानी में हानिकारक शैवाल खिलने (HABs) का पता लगाने में सक्षम होना था। पहले 10 वर्षों में खोज रसायन विकसित करने पर ध्यान केंद्रित किया गया जो हानिकारक शैवाल की पहचान कर सके। लेकिन, शुरू से ही, "क्रिस का विचार था कि नमूनों को भुला दिया जाए और लैब को समुद्र में डाल दिया जाए, केवल डेटा वापस भेजा जाए," डॉ. बर्च कहते हैं। "एक 'पहली पीढ़ी' ईएसपी एक बीटा-प्रकार का रोबोट था जिसे एक बार मेन की खाड़ी में यह दिखाने के लिए तैनात किया गया था कि यह काम करेगा, जो उसने किया।"

इसके बाद दूसरी पीढ़ी (2G) ESP आई, जो 50-गैलन ड्रम के आकार में फिट हो जाती है। एक को 2006 में मोंटेरे बे में तैनात किया गया था और तब से डिजाइन को फालमाउथ, मास में मैकलेन रिसर्च लेबोरेटरीज के व्यावसायीकरण के लिए लाइसेंस दिया गया है। यह पिछले 14 वर्षों से "वर्कहॉर्स" रहा है, डॉ बिर्च कहते हैं। 1G और 2G ESP दोनों स्थिर रोबोट थे, वे जिस पानी का नमूना ले रहे हैं, उसमें बंधा हुआ है, या उन क्षेत्रों में स्थापित किया गया है जहाँ पानी को स्वचालित रूप से पंप किया जा सकता है।

"ईएसपी जो 'नमूना' एकत्र करता है, वह वास्तव में पानी की ज्ञात मात्रा को छानने पर पीछे छूट जाता है," वह बताते हैं। नमूने या तो बाद के विश्लेषण के लिए संरक्षित किए जा सकते हैं, या ईएसपी इन-फील्ड द्वारा संसाधित किए जा सकते हैं। प्रसंस्करण के लिए कुछ आणविक जीव विज्ञान की आवश्यकता होती है, और ऐसा करने के लिए, नमूनों में सूक्ष्मजीवों को उनकी सेलुलर सामग्री को मुक्त करने के लिए लिस किया जाना चाहिए। डॉ बिर्च कहते हैं, "ईएसपी एंजाइमैटिक लिसिस का उपयोग करता है, गर्मी और एक विशेष एंजाइम के साथ खुलने वाली कोशिकाओं को तोड़ता है और एक होमोजेनेट या लाइसेट बनाता है जिसे कई तरीकों से विश्लेषण किया जा सकता है।"

डॉ बिर्च कहते हैं, "हमने शुरुआत में देखा कि गतिशीलता ईएसपी की क्षमता का विस्तार कर सकती है और पूछना शुरू किया, क्या हम 50 गैलन ड्रम में दो बास्केटबॉल के आकार में एयूवी पेलोड के रूप में डाल सकते हैं?"। ऐसा ही हुआ कि, उस समय, 5-6 साल पहले, MBARI टेथिस-क्लास AUV पर आधारित एक लंबी रेंज AUV (LRAUV) विकसित कर रहा था। परिणाम 'तीसरी' पीढ़ी का ESP (3G ESP) है, जिसमें एक नया रिंग कार्ट्रिज डिज़ाइन और मैग्नेटिक पुश रॉड प्लंजर हैं। इसमें दो प्रकार के नमूना कारतूस, अभिलेखीय, नमूनों को संरक्षित और संग्रहीत करने के लिए, और इनफिल्ड प्रसंस्करण और विश्लेषण के लिए "लाइस-एन-गो" शामिल हैं।

LRAUV एक प्रोपेलर संचालित, 30 सेमी व्यास, 2.3 मीटर लंबा (3G-ESP के साथ 3.2 मीटर), 120 किलोग्राम (3G-ESP के साथ 160 किलोग्राम) वाहन की गहराई-300 मीटर है। प्रणोदन से संबंधित कई प्रणालियों का सम्मान करके, LRAUV को पुनः प्राप्त करने और रिचार्ज करने की आवश्यकता से पहले 7-14 दिन का मिशन चलाया जा सकता है। एक आंतरिक उछाल वाला इंजन पूरे महासागरों में पाए जाने वाले जैविक रूप से समृद्ध पतली परतों का नमूना लेने की कोशिश करते समय ठीक-स्तर की गहराई नियंत्रण, महत्वपूर्ण व्यवहार की अनुमति देता है।

हवाई विश्वविद्यालय के साथ एक परियोजना के दौरान इस तकनीक का परीक्षण किया गया, जिसने ईएसपी के साथ तीन एलआरएयूवी हासिल किए। इसका लक्ष्य डीप क्लोरोफिल मैक्सिमम (डीसीएम - क्लोरोफिल की अधिकतम सांद्रता के साथ ~120 मीटर गहरा क्षेत्र) में रहने वाली माइक्रोबियल आबादी का अध्ययन करने के लिए उनके जहाज के शेड्यूल की तुलना में समुद्र तक अधिक पहुंच की अनुमति देना था।

इस परियोजना की परिणति 2018 में हुई, जब R/V Falkor (Schmidt Ocean Institute) ने दो MBARI LRAUVs, Aku को 3G ESP ऑनबोर्ड के साथ, और Opah को एक वेव ग्लाइडर के साथ मानक उपकरण पैकेज के साथ, एक बड़े अध्ययन के लिए तैनात किया। , ओहू के उत्तर में मेसोस्केल एडी (~150 मील के पार)। अकु डीसीएम का पता लगाने और उच्चतम क्लोरोफिल प्रतिदीप्ति की गहराई पर तापमान की पहचान करने के लिए उतरा। तापमान के एक समारोह के रूप में इसकी गहराई को नियंत्रित करके, अकु सतह के बिना चार दिनों तक डीसीएम में रहने में सक्षम था। बहते समय, अकु ने प्रत्येक फिल्टर स्टैक के माध्यम से ~1 लीटर समुद्री जल को पंप किया और फिर भविष्य के विश्लेषण के लिए तट पर आरएनए-लेटर के साथ फिल्ट्रेट को संरक्षित किया।

इस बीच, Opah ने USBL पोजिशनिंग का उपयोग करते हुए Aku को ट्रैक किया, Aku को 800m त्रिज्या सर्कल के केंद्र में रखते हुए, प्रासंगिक डेटा एकत्र किया। उनके ऊपर एक वेव ग्लाइडर ने भी अकु को ट्रैक किया, और आर/वी फाल्कोर को स्थिति और संचार प्रदान किया। एडी के केंद्र को ट्रैक करने के लिए सतह बोया के साथ एक ड्रग भी लॉन्च किया गया था।

MBARI के इंजीनियर ब्रेंट जोन्स, MBARI की लंबी दूरी की AUV "मकाई" की मोंटेरे बे में परीक्षण परिनियोजन पर। मकाई को तीसरी पीढ़ी के पर्यावरण नमूना प्रोसेसर (ईएसपी) को ले जाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। क्रेडिट: क्रिस वाहल (c) 2016 MBARI

कुल मिलाकर, डीसीएम के भीतर, ऊपर या नीचे नौ दिन-रात के चक्रों में तीन घंटे के अंतराल पर एक-लीटर वेतन वृद्धि में 82 नमूने एकत्र, संरक्षित और संग्रहीत किए गए थे।

"तैनाती बेतहाशा सफल रही, एड डेलॉन्ग के साथ, जो पर्यावरण के लिए माइक्रोबियल प्रतिक्रियाओं के समय में रुचि रखते हैं, हर चार घंटे में एक बहती, जलमग्न वाहन (यानी, उसी जल द्रव्यमान में) से पानी के नमूने एकत्र करने में सक्षम हैं। चार दिनों में, ”डॉ। बिर्च कहते हैं। "इसने एक उल्लेखनीय डेटासेट तैयार किया, कि वह अभी भी विश्लेषण के बीच में है।"

जून 2019 में, MBARI ने एक अन्य ESP-वाहन परियोजना को अंजाम दिया, इस बार मोंटेरे बे में घर के करीब। यह एक बड़ा, बहु-परिसंपत्ति प्रयोग था जिसमें MBARI LRAUVs के एक बेड़े के साथ पारंपरिक ऑफ-द-शिप जल-नमूनाकरण विधियों को जोड़ा गया था, दो ESPs के साथ, साथ ही एक i2MAP इमेजिंग AUV, एक बायोल्यूमिनेसेंस सेंसर के साथ, वेव ग्लाइडर्स के साथ, एक इकोसाउंडर के साथ एक सेल ड्रोन, और दो अन्य अनुसंधान पोत, एक आरओवी ऑनबोर्ड के साथ जो वीडियो डेटा एकत्र करने में सक्षम था।

इन सभी को मई-जून 2019 में एक सप्ताह में तैनात किया गया था, 37 किमी की अपतटीय मॉस लैंडिंग, लगभग 900 मीटर गहरी मोंटेरे एक्सेलेरेटेड रिसर्च सिस्टम (MARS) युक्त वेधशाला, जिसमें एक ऊपर की ओर दिखने वाली सोनार प्रणाली, डीप इको-इंटीग्रेटिंग मरीन ऑब्जर्वेटरी सिस्टम ( DEIMOS), समुद्री जीवन का पता लगाने के लिए और जो AUVs को ट्रैक करने में सक्षम था।

लक्ष्य खाड़ी में दैनिक (दिन-रात) ज़ूप्लंकटन प्रवासन को देखना था। कई वाहनों का उपयोग करने का मतलब है कि एक ही समय में विभिन्न पैमानों पर पानी के स्तंभ की विभिन्न परतों का अध्ययन किया जा सकता है। "इस क्रूज पर, हम आरओवी वेंटाना के माध्यम से स्वायत्त रूप से ध्वनिक, आनुवंशिक और बायोल्यूमिनेसेंस डेटा एकत्र करने में सक्षम थे और हमारे शिपबोर्ड सीटीडी और नेट सैंपलिंग के साथ मिलान करने के लिए," पोस्टडॉक्टरल फेलो केटी पिट्ज़ कहते हैं, जो क्रूज पर थे। "इन विभिन्न तरीकों से हमने जो सीखा है उसे उजागर करना रोमांचक होगा।"

इस परियोजना ने भविष्य के शोध के लिए रोमांचक संभावनाएं खोली हैं। उदाहरण के लिए, DEIMOS की उन परतों का पता लगाने की क्षमता के कारण जहां समुद्री जीवन एकत्र होता है, एकोस्टोग्राम का वास्तविक समय प्रसंस्करण निकट वास्तविक समय में रुचि के क्षेत्रों में वाहनों को निर्देशित कर सकता है।

"आखिरकार, हम प्रक्रिया से मानव को पूरी तरह से हटाने के लिए, वाहन पर ही प्रसंस्करण को स्थानांतरित करने की दिशा में काम कर रहे हैं, और वाहनों को सक्रिय रूप से रुचि के क्षेत्रों की खोज करने के लिए प्राप्त करते हैं, दिए गए मापदंडों को मनुष्यों ने उन्हें शुरुआत में प्रदान किया है। प्रयोग, ”डॉ। बिर्च कहते हैं। "यह भविष्य है।"

ईएसपी पर और भी काम किया जाना है। डॉ बर्च कहते हैं, इन-सीटू नमूना प्रसंस्करण (लिसिस और विश्लेषण) किया जा सकता है, लेकिन इन प्रक्रियाओं को करने वाले कारतूस का उपयोग करना आसान हो सकता है। "हम विश्वसनीयता और प्रयोज्यता के साथ एक गंभीर रीडिज़ाइन को आगे बढ़ा रहे हैं। हमारे वर्तमान प्रयास सादगी, विश्वसनीयता और विनिर्माण क्षमता पर केंद्रित हैं। बड़े पैमाने पर उत्पादन करने वाले पुर्जे भी लागत कम करने में मदद करेंगे और इसलिए अधिक लोगों को इस तकनीक का उपयोग करने के लिए प्रेरित करेंगे। लेकिन अभी और भी बहुत कुछ आना बाकी है। "हम एक दूरस्थ, स्वायत्त qPCR क्षमता विकसित कर रहे हैं, और सीटू जीन अनुक्रमण की संभावना तलाश रहे हैं," बर्च कहते हैं। इससे ईएसपी की क्षमता और भी बढ़ जाएगी।

ये कदम दुनिया भर के अन्य शोधकर्ताओं द्वारा उपकरण का उपयोग करना आसान बना देंगे और आगे बढ़ेंगे कि हम समुद्र के बारे में कितना समझते हैं।