探测海洋中的发光生物
研究人员获得了美国海军研究办公室1100万美元的资助
Bethany Augliere著
浩瀚的海洋大部分没有光线。 然而,有时,由于海洋生物的发光能力,从微小的单细胞藻类到水母和鱿鱼等大型动物,海景会发出闪烁的蓝绿色。 这种化学过程被称为生物发光,在世界上的海洋中比比皆是,据估计,海洋中超过70%的动物可以自己发光。
“如果你想了解海洋中的生物学是如何工作的,你需要了解生物发光,”太阳城娱乐海港海洋学研究所的研究教授迈克·特瓦尔多夫斯基博士说。 “生物产生的光非常普遍,也是海洋中最重要的交流形式之一。”
现在,太阳城娱乐港口分部已经从美国海军研究办公室(ONR)获得了一份价值11179001美元的四年合同,使用先进技术研究这种自然现象。
“对我来说,科学最令人兴奋的事情就是发现我们以前从不知道的事情,”该项目的首席研究员Twardowski说。 “在这个项目中,最大的潜力是了解更多关于浮游动物的行为和光发射,因为我们现在对此知之甚少。”
植物和动物发光有各种各样的原因,包括防御、寻找或引诱食物,以及与同类交流。 例如,当身体受到干扰时,微小的浮游藻类鞭毛藻会发出明亮的蓝色闪光,作为一种防御机制,以惊吓试图吃掉它们的捕食者。
“虽然生物发光在80年代和90年代得到了很好的研究,但它受到设备和可用技术的限制,”港口分部主任兼该项目的联合调查员吉姆沙利文说。 他说:“对生物发光的深入研究已经有20年了,我们需要用新的视角、新的眼光和新的技术来看待它。”
该项目的首要目标之一是开发一种紧凑的、最先进的深度光度计,用于测量动物和藻类直接发出的光量。 这些仪器通过一根管子将海水吸进一个黑暗的房间,在那里湍流会干扰动物和藻类,使它们产生光。 科学家们可以利用这种闪光来确定水中有多少不同的生物,还可以测量它们产生的光的数量和持续的时间。 此外,通过在深度光度计上添加成像系统,他们可以识别每种生物的闪光,从而对每种发光生物的独特特征进行分类,Twardowski说。 通过在不同深度部署深度光度计,Twardowski和团队的其他成员可以获得发光生物的空间分布和丰度的完整图像。
生物发光可以在水面上用肉眼或摄像系统远距离探测到。 但是目前还没有一种生物发光测量系统能够测量水柱中生物的全部发光势。 “当你生产出一项伟大的新技术时,它就像一扇通往海洋的窗户,以前从未有人见过,”特瓦尔多夫斯基说。
利用深度光度计的数据,项目的下一步涉及建模。 当像鲸鱼和海豚这样的大型动物穿过生物发光生物的斑块时,它们会扰乱水,然后引发闪光。 “如果我们知道生物体的空间变异性,我们知道它们发出多少光,我们知道它们发出光的时间,我们就可以在一个模型中使用所有这些信息来预测鲸鱼或其他物体周围的生物发光羽状物,以及如何从水面上对其进行成像,”Twardowski说。
Twardowski说,该项目的下一阶段涉及“在水面上运行的尖端成像系统”,使用无人机和其他无人驾驶的自动驾驶车辆。 不同的生物体发出不同颜色的光。 例如,浮游动物通常发出蓝绿色的光,而鞭毛藻——世界上最主要的生物发光浮游植物——发出蓝光。 因此,其中一个成像系统将在可见光范围内观察多种颜色,这将使研究小组能够更多地确定发光生物的种类。
最后,为了解释深海光度计和成像系统的所有数据,研究小组将进行实验室实验,研究生物在不同条件下的光发射。 这是新聘用的博士后Carina Poulin的工作。 “我在这个项目中所做的是帮助我们了解生物发光背后的小尺度生物机制,以帮助开发下一代传感器。”
总的来说,该项目包括一个庞大的团队,不仅来自太阳城娱乐港口分校,还有其他机构,包括:南佛罗里达大学,圣彼得堡; 佛罗里达大学皮尔斯堡分校; 美国加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所; 德州基督教大学; 佛罗里达国际大学; 和顾问。
沙利文说:“像这样的一笔广泛的拨款,将在数年内投入大量资金,这将成为国防部赞助研究的基石,我们真的希望在太阳城娱乐和港口分部追求和加强这种研究。” “这只是个开始。” ◆