Новая лазерная технология позволяет ученым MBARI изучать структуру гигантских личинок, похожих на головастиков, морских животных, которые играют важную роль в экосистемах океана. В недавней статье в Science Advances исследователи MBARI описали новый метод измерения потока морской воды через личинок и других студенистых животных. Результаты помогут ученым понять, сколько углекислого газа поглощают океаны из атмосферы.
Ларвообразные играют значительную роль в перемещении углерода из верхней части океана в глубокие слои моря. Они строят структуры из слизи, похожие на воздушные шары, называемые «домами», которые концентрируют пищу, отфильтровывая мельчайшие частицы из окружающей морской воды. Эти частицы содержат органический углерод, часть которого образовалась в атмосфере в виде углекислого газа.
Со временем их фильтры перегружаются частицами, и личинка покидает свой дом. Выброшенные дома разрушаются и быстро опускаются на морское дно, унося углерод в морские глубины. Оказавшись на морском дне, этот углерод потребляется животными или закапывается в донных отложениях. Погребенный углерод, вероятно, будет удален из атмосферы в течение миллионов лет.
Поскольку гигантские личинки имеют длину всего несколько сантиметров, но строят дома шириной в метр, их изучение представляет собой сложную задачу. Неповрежденные домики личинок практически невозможно собрать в сетку или банку или содержать в лабораторном аквариуме. Как только они сбиваются в сплошную сеть или стену, дома разваливаются.
Вместо того, чтобы пытаться построить резервуар, достаточно большой, чтобы вместить гигантскую личинку и ее дом, научный сотрудник MBARI Какани Катия изучает способы изучения личинок в открытом океане, используя технику, называемую велоциметрией изображений частиц (PIV).. Системы PIV десятилетиями использовались в лабораториях для наблюдения и измерения сложных моделей водного потока, таких как течения, водовороты и водовороты.
В 2015 году Катия решила адаптировать систему PIV для использования в глубоководных условиях. Ее система «DeepPIV» состоит из лазера, испускающего тонкий слой света, и видеокамеры, которая записывает мельчайшие частицы в воде, которые освещаются лазером, когда они проходят через этот слой света. Работая с инженерами MBARI Аланой Шерман, Дейлом Грейвсом и Чадом Кеси, Катия установила лазер и видеокамеру на MiniROV MBARI, небольшой дистанционно управляемый аппарат (ROV).
Позже в том же году Катия присоединилась к старшему научному сотруднику Брюсу Робисону и остальным членам команды DeepPIV в их первом полевом испытании, используя MiniROV для погружения на 1200 метров (4000 футов) под поверхность залива Монтерей.
Когда команда заметила свою первую гигантскую личинку, пилот ROV включил лазеры, выключил свет ROV и удерживал ROV на месте, в то время как полоса лазерного света сканировала тело и дом личинки. Некоторые ученые в круизе годами изучали гигантских личинок, но когда включился лазер, они вдруг увидели камеры и проходы в доме личинок, о существовании которых они даже не подозревали.
"Мы все были потрясены тем, насколько хорошо это сработало", - сказала Катия. «В диспетчерской было много охов и аханий. Не только ученые были потрясены и поражены, но и все на исследовательском судне».
Робисон прокомментировал: «DeepPIV позволил нам заглянуть внутрь сложной структуры, которую мы раньше видели только снаружи. В результате мы узнали о гигантских личинках за одно погружение больше, чем за пару предыдущих погружений. десятилетия."
В конце концов, Катия смогла снять на видео поток частиц в домах 24 гигантских личинок в ходе 13 различных погружений с аппаратом ROV. Анализируя кадры этих погружений, Катия измерила скорость движения частиц. Из этой информации она могла подсчитать, сколько воды личинки фильтруют через свои дома.
Расчеты Катии показали, что каждая гигантская личинка в заливе Монтерей может фильтровать до 76 литров (20 галлонов) воды в час. Это в четыре раза выше, чем предыдущие оценки для гигантских личинок, и в пять раз выше, чем скорость фильтрации других студенистых фильтраторов открытого океана, таких как сальпы..
Сопоставив свои оценки фильтрации с многолетними данными MBARI о численности гигантских личинок на разных глубинах, Катия подсчитала общий объем воды, отфильтрованной гигантскими личинками в заливе Монтерей. Катия подсчитала, что в весенние месяцы, когда они наиболее многочисленны, личинки могут фильтровать всю воду на глубине от 100 до 300 метров в заливе Монтерей всего за 13 дней. Это эквивалентно 500 плавательным бассейнам олимпийского размера в час.
Исследование Катии показывает, что личинки играют даже большую роль, чем считалось ранее, в удалении углерода с поверхности океана. В своей статье она отметила, что DeepPIV также можно использовать для измерения скорости фильтрации других средневодных животных. Эти данные помогут ученым понять, сколько углерода удаляют глубоководные животные из океанов и (косвенно) из атмосферы. Такая информация жизненно важна для улучшения компьютерных моделей изменения климата.
После своего первоначального успеха с DeepPIV Катия сотрудничает с биологом MBARI Джимом Барри, чтобы понять, как глубоководные кораллы и губки собирают мельчайшие частицы пищи, переносимые океанскими течениями. «Теперь, когда DeepPIV доступен океанографическому сообществу, - сказала Катия, - он открывает все возможности».