Наступила весна, солнце светит, и с планктоном в холодных водах Северного Ледовитого океана собирается произойти нечто удивительное.
Длинные яркие дни и повышения температуры пробудили фитопланктон. Начался весенний фитобром, и популяции этих крошечных водорослей стремительно растут под поверхностью.
С лодки, находящейся на фьорде, Тор Мо-Бьеркелунд запускает в море робота. Затем запускает еще одного.
Эти роботы – два легких автономных подводных аппарата (AUV), которые были запрограммированы для перемещения в воде и обнаружения хлорофилла. Хлорофилл – это зеленый пигмент, который фитопланктон использует для фотосинтеза.
«Весна – это беспокойное время в океане, а цветение водорослей представляет собой динамичный и сложный процесс. Их трудно анализировать в деталях», – говорит Мо-Бьеркелунд.
Докторантура Мо-Бьеркелунда в Норвежском университете науки и технологий (NTNU) включает разработку алгоритмов для картирования цветения как во времени, так и в пространстве. Вместе с ним в море находится морской биолог Санна Маяннева, готовая брать пробы воды, как только роботы обнаружат самые плотные концентрации водорослей.
Пока Мо-Бьеркелунд тестирует дорогие новые продвинутые робототехнические устройства, Маяннева вооружена сборником проб воды Нискина: пластиковая трубка, прикрепленная к проводу с простым механическим механизмом спуска.
Когда трубка достигает нужной глубины, по проводу опускается груз, который нажимает на спусковой механизм, и трубка закрывается. Этот образец очень похож на тот, который Фритьоф Нансен разработал более ста лет назад для сбора проб воды на точно заданной глубине.
Два робота, движущиеся под поверхностью, могут показаться технологически превосходными, но именно простой сборник воды Санны Маянневой в конечном итоге предоставляет все ответы.
«Эти вещи действительно работают. Проблема с технологическим развитием заключается в том, что зачастую создаваемые вещи не работают, как ожидается. В отличие от этого, планктоновая сеть или сборник проб воды работают почти каждый раз. Они — простые, дешевые и надежные решения, с которыми не могут сравниться современные технологии», – говорит Мо-Бьеркелунд.
Тем не менее, биологам нужны новые решения, чтобы лучше понять, что происходит под серовато-голубой мутной поверхностью воды.
Прибор может брать пробы вдоль вертикальной линии в воде и предоставлять обзор того, что происходит именно в этом месте. Но он не дает представления о том, что делает цветение водорослей в окружающем пространстве вокруг этой вертикальной линии.
Вот почему Маяннева нуждается в помощи подводного робота Мо-Бьеркелунда. Робот может делать то, чего не может ее прибор: находить самые плотные концентрации фитопланктона в водном столбе.
«Вы можете подумать, что планктон равномерно распределен в воде, но мы знаем, что на самом деле распределение довольно неоднородное – своеобразная мелкомасштабная пятнистость, – говорит она. – Это трудно изучать с помощью традиционных методов, и, возможно, существует больше взаимодействий между различными организмами внутри этих пятен, чем мы в настоящее время знаем».
Маяннева является одной из нескольких морских биологов из Норвежского университета науки и технологий, участвовавших в проекте «Наследие Нансена», междисциплинарном исследовательском проекте по морскому климату и экосистемам, которые претерпевают быстрые изменения.
Ежегодные весенние цветения фитопланктона формируют самую основу морских экосистем, и все же остается многое, что мы не знаем.
«Я изучаю зоопланктон. Я хочу понять, что их отличает, как они сосуществуют и как они влияют друг на друга», – говорит Маяннева.
Исследования того, что происходит во время цветения фитопланктона, важны для более глубокого понимания процессов, влияющих на организмы на одну ступень выше в пищевой цепи.
«Мы хотели бы узнать больше о биоразнообразии и преобладании различных видов планктонов. Возможно, эта мелкомасштабная пятнистость играет более значительную роль, чем мы думали», – говорит Маяннева.
Два подводных робота теперь будут перемещаться и измерять флуоресценцию в области размером 1,5 на 1,5 км до глубины 50 метров. Это позволит им обнаружить наивысшую концентрацию хлорофилла в этом трехмерном объеме воды.
Они также будут вычислять, где измерения наиболее неопределенные, чтобы можно было повторить замеры и улучшить качество данных. В то же время им нужно избегать столкновений друг с другом.
«Темой моей докторской диссертации были адаптивные измерения. Измерения используются на протяжении процесса, чтобы определить, где следует проводить следующие замеры. Я бы не стал называть это искусственным интеллектом, так как здесь не используются нейронные сети, но мы обучаем модель на данных, которые собираем в поле. Робот принимает решения на основе данных, собранных в процессе. Модель – это математико-статистический процесс, пространственно оптимальный, который робот использует для принятия решений», – говорит Мо-Бьеркелунд.
Перед своей полевой работой он настроил программное обеспечение, запустив симуляции того, что исследователи ожидают увидеть в области. Теперь он узнает, работает ли система.
После первого раунда картирования два робота поднимаются на поверхность, чтобы обменяться данными через спутник. Это позволяет одному роботу принимать решения на основе данных другого. Это может включать повторное посещение областей с неопределенными измерениями, а также избегание столкновений с другим роботом.
На борту исследовательского судна ученые могут отслеживать измеренные данные, которые отображаются как трехмерные изображения на экране, создавая модель фотосинтеза в воде прямо здесь и сейчас.
«В данном случае мы увидели, что на поверхности было не так много хлорофилла, но что огромное цветение происходило дальше вниз», – говорит Мо-Бьеркелунд.
Хотя Мо-Бьеркелунд провел большую часть своей работы в офисе перед экспедицией на Шпицберген, именно здесь начинает работу Маяннева.
После второго раунда измерений роботы поднимаются из воды. Исследователи отправляются на место, где роботы измеряли самые плотные концентрации хлорофилла, и используют сборник проб, чтобы найти планктон.
Какие виды находятся в воде? Как энергия передается между фитопланктоном и зоопланктоном?
Для Мо-Бьеркелунда это кульминация многолетней работы.
«Это всего лишь проба. Если такие роботы будут использоваться как стандартный метод, потребуется гораздо больше инженерной работы. Биологи используют технологии, разработанные десятилетия назад, потому что современные технологии просто не достаточно надежны», – говорит он.
Тронхейм, 2024 год: Два года прошли с экспедиции на Шпицберген. Мо-Бьеркелунд давно закончил свои исследования в Норвежском университете науки и технологий и основал свою компанию по разработке подводных технологий с тремя другими бывшими студентами NTNU.
Норвежские SciTech News встречаются с Санной Маянневой за чашкой кофе между загруженными сессиями в лаборатории Университетского музея NTNU в Тронхейме.
Она использует методы из генетики, чтобы выяснить, какие растения и животные были в водных пробах из Кongsfjorden. Однако идентификация организмов в воде не является простым делом, даже если их ДНК обнаружены в пробах.
«Мы используем экологическую ДНК и генетическое кодирование, чтобы идентифицировать фитопланктон, зоопланктон и рыбу. Экологическая ДНК – эффективный метод для картирования биоразнообразия, но по-прежнему есть много видов, которых нет в библиотеках ДНК», – говорит Маяннева.
Кроме того, даже если исследователи находят ДНК определенного вида в конкретной области, они не могут быть уверены, что организм жил именно там, где они его нашли.
«Это также может быть фрагмент, который спустился с более верхних слоев водного столба», – объясняет Маяннева.
Она говорит о постоянном давлении, чтобы сделать экологический мониторинг и биологические исследования максимально экономичными.
Генетические методы спасают ее от месячной работы с микроскопом, но им все еще требуется разработка и они оставляют много вопросов без ответов.
Подводные роботы Мо-Бьеркелунда также могут сэкономить биологам ценное время в поле.
«Эти типы роботов позволят нам исследовать несколько мест на различных глубинах и изучать влияние различных течений. Они помогут нам решить, где должны быть взяты пробы, или где нам следует разместить станции. Должны ли мы брать пробы воды на глубине 20 или 35 метров? В конце концов, мы не можем взять с собой весь водный столб. Возможно, робот может взять пробы воды за нас? Тогда нам даже не нужно будет присутствовать. Экспедиции дорогие», – говорит Маяннева.
Проект «Наследие Нансена» теперь завершен, но работа по разработке автономных подводных роботов продолжается.
«Океан постоянно меняется, и мы никогда не сможем измерить все в одно и то же время. Для того чтобы получить наилучшее возможное понимание океана, нам нужно сосредоточить наши усилия на наиболее интересных областях», – говорит профессор Мартин Людвигсен из Департамента морских технологий.
Проект Harvest теперь тестирует, как подводные аппараты могут использовать технологии сонара и камеры частиц для расчета концентрации зоопланктона в водном столбе, в то время как проект Mascot сосредоточен на статистических методах, позволяющих роботам определять, где и когда должны производиться измерения.
«Адаптивное картирование с использованием автономных подводных роботов может дать нам гораздо лучшее понимание динамики физических, биологических и химических процессов в океане», – говорит Людвигсен.
Маяннева считает, что проект «Наследие Нансена» продемонстрировал важность междисциплинарного сотрудничества.
«Нам нужно знание друг друга, чтобы увидеть полную картину», – говорит она.
