Новая лазерная система позволяет создавать 3D-реконструкции живых глубоководных животных и их слизистых фильтров

Многие глубоководные животные, обитающие в условиях, близких к невесомости, эволюционировали, обретя мягкие, желеобразные тела, и используют для сбора пищи сложные слизистые фильтры. До сих пор изучение этих хрупких структур было практически невозможным. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, описывает уникальную лазерную систему для построения 3D-моделей прозрачных морских животных и выделяемых ими слизистых структур.

Как отмечает ведущий автор статьи, инженер MBARI Какани Катия, "слизь повсеместно распространена в океане, а сложные слизистые структуры создаются животными для питания, здоровья и защиты. Теперь, когда у нас есть способ визуализировать эти структуры глубоко под поверхностью, мы наконец можем понять, как они функционируют и какую роль играют в океане".

В этом исследовании учёные сосредоточились на одних из самых продуктивных "архитекторов слизи" — глубоководных животных под названием аппендикулярии (Larvacea). Они широко распространены в океанских бассейнах мира и имеют размер от менее одного сантиметра до примерно 10 сантиметров. Так называемые "гигантские" аппендикулярии создают похожие на воздушный шар слизистые сети диаметром до метра. Внутри этих внешних фильтров находятся меньшие, размером с кулак, внутренние фильтры, которые животные используют для питания мельчайшими частицами и организмами размером от менее микрона до нескольких миллиметров.

Несмотря на хрупкие тела, аппендикулярии удаляют из окружающей воды огромное количество богатой углеродом пищи. Когда их слизистые фильтры засоряются, животные сбрасывают слизь, которая быстро опускается на морское дно. Это помогает океану удалять углекислый газ из атмосферы и переносит микропластик из толщи воды на дно.

Исследователей, таких как старший научный сотрудник MBARI и соавтор работы Брюс Робисон, давно интересовало, как аппендикулярии могут фильтровать широкий спектр частиц, пропуская через себя очень большие объёмы воды (до 80 литров в час). Предыдущие исследования изучали меньшие фильтры аппендикулярий в лаборатории, но это первая работа, предоставляющая количественные данные об этих слизистых структурах в открытом океане.

Для сбора этих данных Катия, возглавляющая Лабораторию биоинспирации MBARI, совместно с командой инженеров, учёных и пилотов подводных аппаратов разработала инструмент DeepPIV (PIV означает "велосиметрия изображений частиц"). Установленный на дистанционно управляемом аппарате (ROV), инструмент DeepPIV проецирует лист лазерного света, который подсвечивает частицы в воде, подобно пылинкам в солнечном луче. Записывая движение этих частиц на видео, исследователи могут количественно оценивать крошечные течения вокруг морских животных, а также поток воды через их фильтры и прозрачные тела.

Во время полевых испытаний системы DeepPIV Катия и её коллеги обнаружили, что при движении ROV взад и вперёд лист лазерного света выявлял серию поперечных сечений сквозь прозрачные желеобразные тела и слизистые фильтры гигантских аппендикулярий. Собрав серию таких поперечных изображений, команда смогла создать трёхмерные реконструкции отдельных аппендикулярий и их фильтров, подобно тому, как радиологи создают изображения после компьютерной томографии человеческого тела.

Сбор высококачественных видеоданных требовал мастерского управления ROV MBARI. "Использование DeepPIV для сбора этих 3D-сечений, вероятно, самое сложное, что я когда-либо делал с ROV", — сказал главный пилот ROV Doc Ricketts Кнут Брекке. "Мы использовали 12-тысячефунтового робота, чтобы двигать миллиметровой толщины лазерный лист взад и вперёд сквозь аппендикулярию и её слизистый фильтр размером с кулак, который дрейфовал на сотнях метров ниже поверхности океана".

Объединив трёхмерные модели фильтров аппендикулярий с наблюдениями за схемами потока через них, Катия и её коллеги впервые смогли определить форму и функцию различных частей внутреннего фильтра животного. Используя 3D-программы для визуализации, они смогли виртуально "пролететь сквозь" внутренний фильтр и изучить поток жидкости и частиц через его разные части.

"Теперь у нас есть методика для понимания формы этих сложных структур и того, как они функционируют, — пояснила Катия. — Никто раньше не делал подобных in situ 3D-реконструкций слизистых форм".

"Среди прочего, мы надеемся понять, как аппендикулярии строят и наполняют эти структуры, — продолжила она. — Это могло бы помочь нам разработать лучшие 3D-принтеры или создавать сложные надувные конструкции, которые можно было бы использовать в различных средах", включая подводную и космическую.

Развивая эту работу, члены Лаборатории биоинспирации экспериментируют с новыми 3D-пленоптическими системами визуализации, которые могут захватывать высокоточную информацию об интенсивности, цвете и направлении света в сцене. Они также сотрудничают в разработке новых подводных роботов, которые смогут следовать за желеобразными животными в воде часами или днями подряд.

"В этой статье мы продемонстрировали новую систему, которая хорошо работает с различными подводными аппаратами и мезопелагическими организмами, — сказала Катия. — Теперь, когда у нас есть инструмент для изучения слизистых фильтрующих систем, встречающихся по всему океану, мы наконец можем пролить свет на одни из самых сложных структур в природе".

"DeepPIV раскрыл чудо природной инженерии в структуре этих сложных и замысловатых фильтрующих сетей, — сказал Робисон. — А в DeepPIV человеческая инженерия создала мощный новый инструмент для исследования этих и других тайн глубокого океана".