新知 物理

照亮在深海中凝膠狀的生命

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撰文者:Joost Daniels、Alana Sherman、Kakani Katija (宋育徴 譯)
發文日期:2021-11-16
點閱次數:161
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    許多透明的動物依靠著由它們自身的黏液所搭建的結構生存。研究人員正使用配有雷射的機器人,來研究水下深處的這些生物。

    海洋中仍有很大的部分還未被探索。儘管研究人員已經完整描繪出月球和火星的表面,但他們對海底的認識還不到其中的百分之十。然而,海洋卻是地球上最大的居住空間。中水層(mid water)—在海底與透光淺層海水之間的巨大區域—組成了大部分的生活空間,也是一個特別難以探索的區域。在水肺潛水員無法觸及的地方,寒冷、幽暗,及高壓的環境下我們需要配有攝影鏡頭和其他偵測器的專業技術。全球定位系統(GPS)在水下無法發揮作用,且追蹤野生動物的方法選項比在海面或陸地上要來的受限很多。我們對中水層動物的了解大多是基於從拖在船後的網中所收集到的稀疏樣本。然而,許多物種都太脆弱,以至於無法以這種方式進行研究:柔軟的凝膠狀組織組成了牠們身體的絕大部分,是很容易破裂的,而一些動物產生的黏液結構也是如此。


    巨大的尾海鞘幼形蟲(giant larvacean,屬於Bathochordaeus物種),如圖1所示,是一種如前段所述的軟體深海動物,牠們建造了複雜的生活結構—主要以黏液來建造房子,有時被稱為鼻涕宮殿。牠那半透明的蝌蚪狀身體僅有10公分長,主要生活在500公尺下的深海中。尾海鞘幼形蟲從其頭部的細胞分泌出牠的房子,再拍打尾巴使房子膨脹。黏液製成的房屋可作為保護屏障,防禦會經過的掠食者,並將懸浮在水柱中的微小有機顆粒過濾進來。那些被稱為「海洋雪」的有機顆粒是這種動物的食物來源。透過以尾巴將水注入牠的黏液過濾器,尾海鞘幼形蟲可以集中牠所要吃的顆粒。最終,這些顆粒堵塞了過濾器,尾海鞘幼形蟲便會遺棄牠的房子,而這房子便會沉入海底。這些廢棄的房屋可能佔蒙特利灣海洋(Monterey Bay)將碳運輸至海底的三分之一。



    其中的詳細過程及尾海鞘幼形蟲的生命週期仍然是個謎,包括動物建造房屋的方式、房屋為何具有如此獨特的形狀、動物重建房屋的頻率,以及它們過濾的水量等。我們需要更多的研究來了解其中的關鍵過程,這是組成地球碳循環的重要部分。
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    圖一、一隻巨大尾海鞘幼形蟲在牠的黏液房屋內,該房屋是由直徑可達一公尺長的粗粒外層過濾膜及一層細緻的內過濾膜所組成。右上的插圖展示著一隻類似蝌蚪狀的動物,牠的尾巴幾乎佔據了牠那10公分的身長。透過尾巴的擺動,將水及食物顆粒注入房屋內複雜的腔室。在左上角的橢圓形團塊是一幢被遺棄的古老黏液屋,它還沒有沉到海底。(由MBARI所提供。)
     



    深海中的機器人


    研究這種脆弱的深海動物需要非侵入性地觀察和測量牠們。我們與蒙特利灣水族館研究中心(Monterey Bay Aquarium Research Institute)的另外兩名成員保羅.羅伯茲(Paul Roberts)及丹尼斯.克利莫夫(Denis Klimov),一起使用線控水中機器人,稱為遙控潛水器(remotely operated vehicles, ROVs),它們非常適合這項工作。如圖2a所示,每個遙控潛水器都由在船上控制室裡的駕駛員操作。為了進行深海研究,在一個遙控潛水器上會配備大量相機、偵測器、收集容器,以及可以操作設備並在數公里深的動物自然環境中進行實驗的機械手臂。得到的影像在空間和時間尺度上,提供研究水下動物的形式及功能所需的視圖,而小心選擇照亮一個較為黑暗的環境則能取得大量的資訊。
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    圖二、線控連繫在海面上的母船上,(a) 這種遙控潛水器(remotely operated vehicle, ROV) 控制著安裝在其架上的DeepPIV儀器的位置。DeepPIV儀器利用遙控潛水器上的相機及由半公尺長的堅硬手臂延伸出去的雷射,收集用於質點影像測速技術和重建三維影像的數據。雷射投射出一片光,照亮懸浮粒子的運動及在附近任何海洋生物的內部結構。相機捕捉被照亮的物體。(b) 從遙控潛水器延伸出來的雷射光照亮在實驗室水箱中的氣泡。(由MBARI提供)


    新開發的DeepPIV(particle image velocimetry質點影像測速技術)儀器是一種專門成像及照明的系統,它將一道紅色的雷射光投射成一毫米厚的片狀照明光,如圖2b所示。相機捕捉在雷射光片中被粒子所散射的光。DeepPIV連接著遙控潛水器一起使用,讓駕駛員可以在不打擾目標生物的情況下,小心地將儀器放置在其周圍。這絕非易事:幾公尺長的潛水器必須以公分下的精準度定位,影響遙控潛水器和動物的海流會讓這件事變得複雜。之後,研究人員可以將儀器與目標物保持相對靜止,或者讓雷射光片掃描一個固定的體積。這兩種方式會在同一個動物上得到非常不同的觀點。


    DeepPIV雷射光片可顯示存在於被照亮水片中的任何物體或懸浮顆粒。雷射光甚至會在許多中水層動物的半透明身體內傳播,因而使該技術有效地揭示了水流及身體結構。當遙控潛水器與目標物保持相對靜止時,DeepPIV所記錄的影像可以使用粒子追蹤法(particle tracking)或質點影像測速技術(particle image velocimetry)進行分析,這些方法通常用於表現實驗室環境中流體的流動。兩種方法都可視化了動物的二維切片以及周圍的粒子場。


    但如果在記錄的同時,雷射光片在感興趣的目標物上移動,則會產生一疊代表著在體積中不同平面的圖像。從該疊圖像中,研究人員能以類似於醫學上的電腦斷層(computed tomography, CT)或核磁共振(magnetic resonance imaging, MRI)的掃描成像方式建立3D模型。要記錄一疊圖像只需要幾秒鐘的時間,但必須極其精確地移動遙控潛水器。以不同像素強度的等級來區分動物特徵的方式,與電腦斷層掃描區分內臟器官中骨骼和組織的方式大致相同。(請參閱本期2021年九月號第34頁,約翰.布恩(John Boone) 和辛西婭.麥考洛(Cynthia McCollough)所寫的文章)


    看看裡面

    DeepPIV的影像結果可供我們仔細觀察在尾海鞘幼形蟲的房屋內部及周圍的水流。藉由移動粒子被雷射光照亮的同時放大了特定的位置,人們可以測量水的過濾速率,並辨別水流通過房屋的路徑。單個巨大的尾海鞘幼形蟲每小時最多可過濾76公升的海水—對於一個長度不到10公分的動物來說,這是一項了不起的成就。


    與蒙特利灣的其他大型動物相比,尾海鞘幼形蟲對有機物的運輸有著深遠的影響:累積下來,牠們每13天就會將在同個深度範圍內的水都過濾一次。每當尾海鞘幼形蟲離開了牠的房子—這種情況可能每天發生一次—房屋所捕獲的顆粒及碳會沉入海底,在那裡為底層棲息的動物提供營養或成為沈積物的一部分。碳便遠離了表面海水及大氣層,被有效地隔離在海底。


    這麼小的無脊椎動物怎麼能過濾這麼多水?答案可能在於牠的房屋結構。為了仔細觀察,我們的研究團隊使用DeepPIV掃描在200到400公尺深處,在黏液結構內的尾海鞘幼形蟲。拍得的影像和3D可視圖,加上DeepPIV收集到的水流數據,讓我們能夠研究在屋子內的空腔及長管,更佳地了解它們的功能。我們發現水會通過兩個入口通道進入屋內,而一個粗粒網狀過濾器可以防止大型物體進入。尾海鞘幼形蟲的尾巴將水從尾部的通道注入,水流接著進入分岔的內部通道,而在下游的錐形通道有助於將食物顆粒送進動物的嘴裡。儘管3D模型提供了前所未有的黏液屋內結構及通道視圖,但我們仍不清楚動物究竟是如何以如此高的速度來過濾海水。


    在MBARI的其他工程師、ROV駕駛員及船員為我們的研究提供了重大貢獻。


    補充資料
    有關DeepPIV掃瞄巨大的尾海鞘幼形蟲的畫面以及內部腔室的3D模擬影片,請見www.youtube.com/watch?v=J2zJgo1QveU.
    有關尾海鞘幼形蟲研究的介紹,請參考www.youtube .com/watch?v=0fCnHyxYVMw. 
    K. Katija et al., “Revealing enigmatic mucus structures in the deep sea using DeepPIV,” Nature 583, 78 (2020). 
    K. Katija et al., “New technology reveals the role of giant larvaceans in oceanic carbon cycling,” Sci. Adv. 3, e1602374 (2017).


    作者:Joost Daniels是一位資深研究技術人員、Alana Sherman是電子工程組的負責人、Kakani Katija是首席工程師,他們都在加利福尼亞州莫斯蘭丁的蒙特利灣水族館研究中心工作。
    譯者:宋育徵。


    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, November 2021 雜誌內 (Physics Today 74, 9, 62 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4842)。原文作者:Joost Daniels、Alana Sherman、Kakani Katija。中文編譯:宋育徴,國立中央大學物理系助理。


    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Johanna Miller, and is published on (
    Physics Today 74, 9, 62 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4842). The article in Mandarin is translated and edited by Y.C.Sung , working at the Department of Physics, National Central University.
     
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