De COVID-19-pandemie heeft het voor mariene wetenschappers bijzonder uitdagend gemaakt om waarnemingen te doen en experimenten uit te voeren op zee. Onderzoekscruises zijn ingekort of geannuleerd omdat het moeilijk is om een ​​veilige afstand te bewaren tussen wetenschappers en bemanning in de krappe ruimtes op een onderzoeksschip. In deze huidige situatie, De robotvoertuigen en instrumenten van MBARI zijn zeer nuttig gebleken.

Een goed voorbeeld is MBARI's Summer 2020 Controlled, Weerbaar, en Novel Ocean Network (CANON) experiment, die loopt van 14 juli tot 4 augustus. Onderzoeksmedewerker Katie Pitz, die betrokken was bij de planning van de operatie, uitgelegd, "Voor het experiment van dit jaar, de daadwerkelijke bemonstering wordt gedaan door autonome instrumenten en voertuigen die op afstand door wetenschappers aan de wal kunnen worden gevolgd. MBARI is al lange tijd bezig met het bevorderen van autonome technologieën, dus dit is een goed voorbeeld van hoe we deze technologieën kunnen toepassen."

MBARI's jaarlijkse CANON-experimenten maken doorgaans gebruik van grote aantallen schepen, robotten, en instrumenten die min of meer gelijktijdig worden ingezet op Monterey Bay om gegevens te verzamelen met betrekking tot een specifiek fysiek en biologisch proces in de baai. CANON-experimenten zijn ook kansen voor onderzoekers om nieuwe, Nieuwste technologieën.

Het CANON-experiment van dit jaar is bedoeld om grote groepen ansjovis en andere dieren in en rond Monterey Canyon te bestuderen. Om erachter te komen waar en wanneer deze dieren samenkomen in de kloof, onderzoekers van MBARI en de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) combineren twee zeer verschillende technologieën:echolood met hoge resolutie en omgevings-DNA (eDNA).

Wetenschappelijke dieptemeters gebruiken geluidsgolven om afbeeldingen te maken van lagen dieren op verschillende diepten en, in sommige gevallen, laat wetenschappers zelfs toe om deze dieren te identificeren. Met eDNA-analyse, biologen kunnen bepalen welke soorten organismen zich in een stukje oceaan bevinden door simpelweg een monster zeewater te verzamelen en DNA uit dat zeewater te halen. DNA-sequenties uit het zeewater worden vervolgens vergeleken met bekende DNA-sequenties voor verschillende organismen.

"Deze technologie is analoog aan een forensisch onderzoeker die DNA vindt op een plaats delict en het vergelijkt met de verdachtenbank in de genetische repository van de FBI, " zei Francisco Chávez, hoofdonderzoeker van de CANON-experimenten. "Onze verdachten, " hij ging verder, "zijn leven in de zee."

Zoals Pitz opmerkte, NOAA is erg geïnteresseerd in het verkennen van deze nieuwe aanpak. "Microbioloog Kelly Goodwin van NOAA regelde de financiering voor MBARI om eDNA-monsters te verzamelen en de resultaten te vergelijken met echoloodwaarnemingen. Oorspronkelijk zouden we een NOAA-schip laten deelnemen aan het experiment, maar vanwege de pandemie, het schip kon hier niet zijn."

"Dit onderzoek is rechtstreeks van toepassing op NOAA's onderzoeken naar visbestanden, Pitz legde uit. "Ze gebruiken dieptemeters op schepen om de verspreiding van vissen in kaart te brengen en netten om te verifiëren welke vissen aanwezig zijn. Tijdens CANON, wij doen hetzelfde, behalve dat we echosounders gebruiken die aan de oppervlakte op robots zijn gemonteerd en eDNA verzamelen met behulp van onderwaterrobots."

De oppervlakterobots die in het CANON-experiment worden gebruikt, worden "Wave Gliders, " en zien eruit als vierkante surfplanken. Tijdens het experiment, een Wave Glider reist een zigzagpad over het binnenste deel van Monterey Canyon, waar vaak ansjovisscholen te vinden zijn. Terwijl de Wave Glider over het oppervlak beweegt, de dieptemeters leggen beelden vast van scholen ansjovis en andere dieren in het water beneden.

De Wave Glider op zijn zigzagkoers volgt een onderwaterrobot die een langeafstandsautonoom onderwatervoertuig (LRAUV) wordt genoemd, die watermonsters verzamelt voor eDNA-analyse. Tijdens het experiment van twee weken, de LRAUV zal tot 60 watermonsters verzamelen met behulp van een door MBARI ontworpen robotbemonsteringsapparaat dat een Environmental Sample Processor (ESP) wordt genoemd. "Dit is een van de eerste keren dat we de LRAUV hebben gebruikt om monsters onder water te verzamelen op dezelfde locaties die de akoestische Wave Glider aan de oppervlakte bezoekt, ' zei Pits.

Hoewel robots het grootste deel van het verzamelen van monsters en gegevens doen, meer dan twee dozijn mensen zijn ook betrokken bij dit experiment. Al deze wetenschappers, ingenieurs, and marine operations staff are needed to launch, recover, and maintain the robots, and to process and analyze the samples and data.

Aan het einde van het experiment, after all the robots return to shore, CANON scientists and engineers will begin processing hundreds of samples for eDNA analysis. "During my first CANON experiment in Spring 2017, we collected only four eDNA samples autonomously, " said Pitz. "Now, with multiple ESPs, we have a huge increase in the number of samples we can collect and will need to process."

"It's a lot of work, " she added. "But having more samples is great for the science. And the samples can be stored in a freezer and preserved for years. Analytical methods for eDNA are improving rapidly, so it's nice to preserve some samples for later analysis in case a better technique comes along."

"Speaking of cutting edge technologies, " Pitz said, "Another cool aspect of this experiment is that MBARI scientists Nathan Truelove and Charles Nye are using a desktop sequencer to sequence eDNA from water samples in near real-time—within a day or so."

"Benchtop sequencing has a higher error rate in reading the DNA than next-generation methods that involve large sequencing machines, " she explained. "So the data processing is a lot more challenging. But being able to sequence DNA in a day would be great compared to shipping samples out to a lab, which can take several weeks. Eventueel, we hope to be able to host this tiny sequencer on our LRAUV."

Although MBARI engineers have had great success building robots that communicate effectively with one another, Pitz noted that one of the biggest challenges in this experiment is keeping lines of communication open among the humans involved. "We need to decide the best times and places to collect samples while making sure the LRAUV doesn't burn out its battery or hit the bottom. This requires lots of communicating between the scientists, engineers, and marine operations staff. As a scientist at MBARI, one of the things I've learned is that, in order to get good scientific data, you need to work closely with the engineers to understand and adapt to the limitations of the equipment."

The Summer 2020 CANON experiment is a prime example of how researchers can collect vast amounts of useful data by sending robots instead of people out to sea. "This mode of operation will increase dramatically in the future, " said Chavez. "Not only because of COVID but because of the need for persistent and globally distributed observations of life in the sea."