La pandemia di COVID-19 ha reso particolarmente difficile per gli scienziati marini effettuare osservazioni ed eseguire esperimenti in mare. Le crociere di ricerca sono state ridotte o cancellate perché è difficile mantenere una distanza di sicurezza tra scienziati ed equipaggio negli spazi ristretti di una nave da ricerca. In questa situazione attuale, I veicoli e gli strumenti robotici di MBARI si sono dimostrati molto utili.

Un esempio calzante è il Summer 2020 Controlled di MBARI, Agile, e l'esperimento di Novel Ocean Network (CANON), che va dal 14 luglio al 4 agosto. Research Associate Katie Pitz, chi è stato coinvolto nella pianificazione dell'operazione, spiegato, "Per l'esperimento di quest'anno, il campionamento vero e proprio viene effettuato da strumenti e veicoli autonomi che possono essere monitorati a distanza dagli scienziati a terra. MBARI ha avanzato a lungo tecnologie autonome, quindi questo è un ottimo esempio di come possiamo applicare queste tecnologie."

Gli esperimenti CANON annuali di MBARI impiegano tipicamente un gran numero di navi, robot, e strumenti che vengono distribuiti più o meno contemporaneamente sulla baia di Monterey per raccogliere dati relativi a uno specifico processo fisico e biologico nella baia. Gli esperimenti CANON sono anche opportunità per i ricercatori di testare nuovi, tecnologie all'avanguardia.

L'esperimento CANON di quest'anno è progettato per studiare grandi gruppi di acciughe e altri animali dentro e intorno al Monterey Canyon. Per capire dove e quando questi animali si radunano nel canyon, i ricercatori di MBARI e della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) stanno combinando due tecnologie molto diverse:ecoscandagli ad alta risoluzione e DNA ambientale (eDNA).

Gli ecoscandagli scientifici utilizzano le onde sonore per creare immagini di strati di animali a diverse profondità e, in alcuni casi, persino consentire agli scienziati di identificare questi animali. Con l'analisi dell'eDNA, i biologi possono determinare quali tipi di organismi si trovano in una zona dell'oceano semplicemente raccogliendo un campione di acqua di mare ed estraendo il DNA da quell'acqua di mare. Le sequenze di DNA dall'acqua di mare vengono quindi confrontate con sequenze di DNA note per una varietà di organismi diversi.

"Questa tecnologia è analoga a un investigatore forense che trova il DNA sulla scena del crimine e lo confronta con la banca dei sospetti nel deposito genetico dell'FBI, " disse Francisco Chavez, capo ricercatore sugli esperimenti CANON. "I nostri sospetti, " Lui continuò, "sono la vita nel mare."

Come ha notato Pitz, NOAA è molto interessato ad esplorare questo nuovo approccio. "Il microbiologo Kelly Goodwin del NOAA ha organizzato il finanziamento per MBARI per raccogliere campioni di eDNA e confrontare i risultati con le osservazioni dell'ecoscandaglio. Originariamente avremmo dovuto far parte dell'esperimento una nave NOAA, ma a causa della pandemia, la nave non poteva essere qui."

"Questa ricerca si applica direttamente agli studi del NOAA sugli stock ittici, "Spiega Pitz. "Usano ecoscandagli sulle navi per mappare la distribuzione del pesce e reti per verificare quali pesci sono presenti. Durante CANONE, stiamo facendo la stessa cosa, tranne che stiamo usando ecoscandagli montati su robot in superficie e raccogliendo eDNA usando robot subacquei".

I robot di superficie utilizzati nell'esperimento CANON sono chiamati "Wave Gliders, " e sembrano tavole da surf squadrate. Durante l'esperimento, un Wave Glider sta percorrendo un percorso a zig-zag nella parte interna del Monterey Canyon, dove si trovano spesso scuole di acciughe. Mentre il Wave Glider si muove sulla superficie, i suoi ecoscandagli catturano immagini di banchi di acciughe e altri animali nell'acqua sottostante.

Seguendo il Wave Glider sul suo percorso a zig-zag c'è un robot sottomarino chiamato veicolo subacqueo autonomo a lungo raggio (LRAUV), che sta raccogliendo campioni di acqua per l'analisi dell'eDNA. Durante l'esperimento di due settimane, il LRAUV raccoglierà fino a 60 campioni di acqua utilizzando un dispositivo di campionamento robotico progettato da MBARI chiamato Environmental Sample Processor (ESP). "Questa è una delle prime volte che abbiamo usato il LRAUV per raccogliere campioni sott'acqua negli stessi luoghi che l'acustica Wave Glider sta visitando in superficie, " ha detto Pitz.

Sebbene i robot si occupino della maggior parte della raccolta di campioni e dati, oltre due dozzine di esseri umani sono coinvolti in questo esperimento. Tutti questi scienziati, ingegneri, e personale delle operazioni marittime sono necessari per il varo, recuperare, e mantenere i robot, e per elaborare e analizzare i campioni e i dati.

Alla fine dell'esperimento, dopo che tutti i robot tornano a riva, Gli scienziati e gli ingegneri di CANON inizieranno a elaborare centinaia di campioni per l'analisi dell'eDNA. "Durante il mio primo esperimento CANON nella primavera 2017, abbiamo raccolto in autonomia solo quattro campioni di eDNA, " disse Pitz. "Ora, con più ESP, abbiamo un enorme aumento del numero di campioni che possiamo raccogliere e che dovremo elaborare".

"È un sacco di lavoro, " she added. "But having more samples is great for the science. And the samples can be stored in a freezer and preserved for years. Analytical methods for eDNA are improving rapidly, so it's nice to preserve some samples for later analysis in case a better technique comes along."

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"Speaking of cutting edge technologies, " Pitz said, "Another cool aspect of this experiment is that MBARI scientists Nathan Truelove and Charles Nye are using a desktop sequencer to sequence eDNA from water samples in near real-time—within a day or so."

"Benchtop sequencing has a higher error rate in reading the DNA than next-generation methods that involve large sequencing machines, " she explained. "So the data processing is a lot more challenging. But being able to sequence DNA in a day would be great compared to shipping samples out to a lab, which can take several weeks. Infine, we hope to be able to host this tiny sequencer on our LRAUV."

Although MBARI engineers have had great success building robots that communicate effectively with one another, Pitz noted that one of the biggest challenges in this experiment is keeping lines of communication open among the humans involved. "We need to decide the best times and places to collect samples while making sure the LRAUV doesn't burn out its battery or hit the bottom. This requires lots of communicating between the scientists, engineers, and marine operations staff. As a scientist at MBARI, one of the things I've learned is that, in order to get good scientific data, you need to work closely with the engineers to understand and adapt to the limitations of the equipment."

The Summer 2020 CANON experiment is a prime example of how researchers can collect vast amounts of useful data by sending robots instead of people out to sea. "This mode of operation will increase dramatically in the future, " said Chavez. "Not only because of COVID but because of the need for persistent and globally distributed observations of life in the sea."