研究人员正利用自主水下机器人采集环境DNA，并监测海洋生态系统的生物多样性。
采集到的DNA有助于了解敏感区域生物多样性的变化、珍稀或濒危物种的存在情况，以及入侵物种的扩散。
自主水下机器人能够研究此前未调查过的海域，这些新数据有望助力改善全球海洋健康状况。
在监测海洋生态系统生物多样性方面迈出重要一步的是，一项今天发表在《环境DNA》上的新研究。研究详细介绍了蒙特雷湾水族馆研究所（MBARI）的研究人员如何利用自主水下机器人采集环境DNA（eDNA）。eDNA使科学家能够通过水生物种留下的微量遗传物质，检测这些物种是否存在。这些DNA“汤”提供了线索，帮助人们了解敏感区域生物多样性的变化、珍稀或濒危物种的存在情况，以及入侵物种的扩散；所有这些对于理解、促进和维护海洋健康都至关重要。
自主水下机器人投入工作
在这项研究中，研究人员结合了MBARI开发的两种新型自主平台：远程自主水下航行器（LRAUV）和环境样品处理器（ESP）。LRAUV是一种灵活机动的水下机器人，能够长时间前往海洋偏远区域。ESP是一种机器人式“罐装实验室”，可过滤海水并保存eDNA，以供后续研究。为LRAUV配备ESP技术后，研究人员便能在时间和空间上扩大海洋监测规模。相比之下，传统的海洋eDNA采样需要研究人员耗费数周时间乘坐昂贵的研究船，而且采样范围局限于一片区域。此类技术创新正彻底改变海洋保护工作。
“我们知道，eDNA是研究海洋生物群落极其有力的工具，但依靠载人研究船，我们能做的工作一直受到限制。如今，自主技术正帮助我们更有效地利用时间和资源，研究海洋的新区域。”MBARI生物海洋学家、论文第一作者科本·特鲁洛夫（Kobun Truelove）说。
海洋生物多样性是衡量海洋中个体和物种丰度的指标。从最小的浮游生物到最大的鲸鱼，这些相互关联的生物共同构成一幅复杂的图景，支撑着食物网，产生我们呼吸的空气，并调节气候。LRAUV和ESP等自主水下机器人使MBARI研究人员能够持续驻留海洋，并以以往无法实现的方式监测敏感生态系统的变化。
“随着海洋和五大湖环境条件的变化，生物会迁移，从而影响依赖这些物种的人群和经济。我们需要成本更低、更灵活的方法，大规模监测生物多样性。这项研究推动了我们所需的eDNA与无人技术协同发展，直接回应了美国国家海洋和大气管理局（NOAA）《组学战略计划》中提出的重点。”该研究共同作者、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）合作研究人员凯莉·古德温（Kelly Goodwin）说。
背景：
在这项研究中，MBARI与NOAA大西洋海洋学与气象实验室以及华盛顿大学的研究人员合作，在蒙特雷湾国家海洋保护区完成了三次考察。团队协调了样品采集工作，参与方包括MBARI的三艘研究船、NOAA渔业局的船只鲁本·拉斯克号以及一支由MBARI的LRAUV组成的船队。
船上团队将采样瓶下放至特定深度，采集并保存水样。与此同时，一台配备ESP的LRAUV在相近地点和深度自主采集并保存eDNA。随后，研究人员将eDNA样品送回实验室进行深入测序分析。
亲缘关系较近的生物拥有一些相同的DNA片段，称为基因标记。在这项研究中，研究人员采用一种称为宏条形码分析的技术，对eDNA样品进行分析。该方法寻找短DNA片段，并列出样品中存在的类群。这项技术尤其有助于将eDNA数据转化为生物多样性指标。研究人员分析了四种不同类型的基因标记，每种标记分别代表食物网中略有不同的层级。综合这些结果，研究人员得以更全面地描绘群落组成。研究船和自主航行器采集的样品显示出相似的生物多样性模式。
特鲁洛夫指出，这项研究的发现标志着海洋生态系统监测迈出了令人振奋的一步。他说：“这项工作旨在扩大eDNA研究的规模。我们不必只关注单个物种，而可以开始更全面地描绘海洋生物群落结构。”
“优质数据是可持续海洋管理的基石。”MBARI资深科学家、该研究共同作者弗朗西斯科·查韦斯（Francisco Chavez）说。“定期监测环境DNA能告诉我们有哪些生物，以及它们随时间发生了哪些变化。要了解气候变化的影响——气候变化是海洋健康面临的最大威胁之一——这类信息必不可少。”
LRAUV能够连续数周航行数百公里。与通常很少前往偏远地点的传统研究船相比，它们能在关注区域开展更频繁的采样。自主水下机器人将使研究人员能够研究此前未调查过的海域。填补这些数据空白对于改善全球海洋健康状况至关重要。船载研究将继续在海洋学研究中发挥重要作用，而将新的自主技术纳入工具组合，则能扩大研究、监测和资源管理能力。最终，MBARI研究人员设想部署一支配备ESP技术的LRAUV船队。
这项研究获得了戴维和露西尔·帕卡德基金会、NOAA/OAR/'Omics、NOAA/OAR/NOPP以及NASA项目#80NSSC20M0001和80NSSX21M003的资助。
