Il primo veicolo sottomarino al mondo progettato specificamente per raccogliere campioni biologici e chimici dalla colonna d'acqua dell'oceano ha completato con successo le prove in mare al largo della costa del New England il 9 luglio, 2017. Il nuovo veicolo subacqueo autonomo, di nome Clio, aiuterà gli scienziati a comprendere meglio il funzionamento interno dell'oceano.

Sviluppato in una collaborazione ingegneristica tra Woods Hole Oceanographic Institution e l'Università del Texas Rio Grande Valley e in collaborazione scientifica con l'Università del Michigan, Clio migliorerà l'efficienza del campionamento e ridurrà anche i tempi e i costi di ampie indagini biogeochimiche, che sono necessari per comprendere modelli e cicli della rete trofica marina e il ruolo che l'oceano svolge nel plasmare il clima della Terra.

"Questo nuovo strumento di ricerca ci consentirà di raccogliere in modo più rapido ed efficiente i campioni di cui abbiamo bisogno per capire come i microbi mediano il ciclo degli elementi, come il carbonio, negli oceani, " ha detto il microbiologo marino Gregory Dick, un membro della squadra.

"Vogliamo sapere, Per esempio, come i microrganismi oceanici risponderanno ai cambiamenti globali, compreso l'aumento delle temperature, aumento delle concentrazioni di anidride carbonica atmosferica, e aumentando l'acidità dell'oceano, " disse Dick, professore associato presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente UM e presso il Dipartimento di Ecologia e Biologia Evoluzionistica.

"L'obiettivo a lungo termine di Clio è abbassare le barriere al completamento di un'indagine globale sulla microbiologia e biochimica marina, " disse John "Chip" Breier, capo scienziato delle prove in mare e capo ricercatore principale del progetto dell'Università del Texas Rio Grande Valley. "In definitiva, le capacità del veicolo amplieranno notevolmente la capacità di osservazione della nostra flotta di ricerca oceanografica".

Una volta calato da una nave, la Clio a immersione verticale si spinge sul fondo del fondo marino utilizzando una coppia di propulsori e poi si ferma a una serie di profondità preprogrammate durante la sua ascesa per filtrare l'acqua e raccogliere campioni.

La studentessa di dottorato Sharon Grim ha partecipato alla prova in mare del 9 luglio e ha riportato campioni che saranno analizzati nel laboratorio di Dick. DNA e RNA verranno estratti e sequenziati. I ricercatori sono interessati a tutti i microrganismi marini, compresi i batteri, archaea ed eucarioti microbici, così come i virus che li infettano.

"Clio ha campionato i microbi a profondità programmate filtrando l'acqua di mare, " disse Grim. "Una volta tornato sulla nave, abbiamo recuperato i filtri ed estrarremo e sequenziare gli acidi nucleici da essi.

"Questa analisi ci darà il quadro generale dei tipi microbici, potenziali metabolismo, e attività nella colonna d'acqua. Quindi possiamo collegare questa istantanea microbica con i nutrienti, tracce di metalli e proteine ​​che abbiamo anche raccolto per comprendere il ruolo dei microbi nel ciclo globale degli elementi".

Il veicolo subacqueo autonomo, o AUV, ha all'incirca le dimensioni di un grande frigorifero, può immergersi fino a una profondità massima di 6, 000 metri (3,7 miglia) e può funzionare sott'acqua per 12-14 ore alla volta. Clio torna quindi in superficie con pile di filtri che rappresentano centinaia di litri di acqua di mare che gli oceanografi possono utilizzare per misurare la diversità genetica e funzionale dei microrganismi marini, così come i nutrienti che controllano la loro diversità.

"Come AUV, Clio occupa uno spazio di design unico, "ha detto Mike Jakuba, ingegnere capo presso WHOI e investigatore principale del progetto. "Gli AUV sono generalmente progettati per viaggiare orizzontalmente lungo il fondo marino e per effettuare rilevamenti a una profondità relativamente costante. Al contrario, Clio deve viaggiare verticalmente nell'acqua e campionare per lunghi periodi di tempo a molte profondità separate da centinaia a migliaia di metri".

Attualmente, i ricercatori raccolgono questi tipi di campioni marini utilizzando pompe a batteria, calato a varie profondità oceaniche su un filo. Le pompe aspirano l'acqua di mare attraverso un filtro che cattura le particelle. Quando le pompe saranno di nuovo in coperta, le teste contenenti i filtri vengono rimosse e portate in laboratorio per l'analisi.

Nelle grandi spedizioni che esplorano interi bacini oceanici, Clio può essere in acqua a fare un sopralluogo, mentre altri ricercatori possono prelevare contemporaneamente serie separate di campioni utilizzando il sistema a filo.

Per dimostrare questa capacità durante le prove in mare all'inizio di questo mese a bordo della R/V Neil Armstrong, la squadra scientifica di crociera ha schierato uno strumento oceanografico standard montato su filo noto come rosetta CTD, che misura la conducibilità, temperatura, e profondità, mentre Clio ha contemporaneamente filtrato campioni a profondità di poche centinaia di metri.

Durante la spedizione, Clio ha completato cinque immersioni, comprese due immersioni a 2, 000 metri (1,2 miglia), e filtrato più di 1, 000 litri (264 galloni) di acqua di mare da nove diverse profondità per analisi microbiologiche e biochimiche.

"Dal punto di vista del campionamento, dovevamo progettare un sistema sufficientemente versatile da soddisfare le esigenze scientifiche di un'ampia comunità, abbastanza semplice da operare rapidamente e con poca formazione, e abbastanza compatto da adattarsi all'AUV, una sfida per essere sicuri, " disse Breier, professore associato presso l'Università del Texas Rio Grande Valley e scienziato aggiunto presso WHOI.

I membri del team sperano che i sondaggi di Clio possano essere utilizzati per espandere gli sforzi di campionamento esistenti, come lo studio GEOTRACES di lunga data, uno sforzo internazionale per misurare e studiare un ampio spettro di elementi, isotopi, e sostanze chimiche nell'oceano, fornendo una controparte biologica e biochimica.

"Una delle cose davvero entusiasmanti è che Clio fornisce il tipo di campioni di biomassa necessari per i nuovi approcci "omici" alla misurazione delle molecole cellulari, come la genomica, proteomica, e metabolomica, " disse Mak Saito, un biogeochimico presso la Woods Hole Oceanographic Institution e uno dei principali investigatori di Clio.

Analizzando la biomassa che Clio raccoglie, gli scienziati possono dire cosa vive nell'acqua e i nutrienti che usano per svolgere funzioni biologiche, e scopri anche di più sul microbioma oceanico, il sistema microbico che aiuta a guidare i processi vitali e il ciclo elementare sulla Terra.

Prossimo, Clio sarà sottoposta a un anno di test scientifici alle Bermuda a partire da aprile 2018. I finanziamenti per la progettazione e lo sviluppo di Clio sono stati forniti dall'Ocean Technology and Interdisciplinary Coordination Program della National Science Foundation e dalla Gordon and Betty Moore Foundation.