Die Kameras, die zerbrechliche Tiefseequallen in ihrem Element festhalten

Auf einer Expedition mit dem Schmidt Ocean Institute vor der Küste von San Diego im August 2021 schickte MBARI das Werkzeugpaar – zusammen mit einem speziellen DNA-Probenahmegerät – Hunderte von Metern tief, um das Mittelwasser zu erkunden. Die Forscher verwendeten die Kameras, um mindestens zwei unbenannte Kreaturen zu scannen, einen neuen Rippenquallen und einen Siphonophor.

Die erfolgreichen Scans stärken die Argumente für virtuelle Holotypen – eher digitale als physische Exemplare, die als Grundlage für eine Artendefinition dienen können, wenn eine Sammlung nicht möglich ist. Historisch gesehen war der Holotyp einer Art ein physisches Exemplar, das akribisch eingefangen, konserviert und katalogisiert wurde – ein Seeteufel, der in einem Glas Formaldehyd schwimmt, ein Farn, der in ein viktorianisches Buch gepresst ist, oder ein Käfer, der an die Wand eines Naturkundemuseums geheftet ist. Zukünftige Forscher können daraus lernen und sie mit anderen Exemplaren vergleichen.

Befürworter sagen, dass virtuelle Holotypen wie 3D-Modelle unsere beste Chance sind, die Vielfalt des Meereslebens zu dokumentieren, von denen einige kurz davor stehen, für immer verloren zu gehen. Ohne eine Artenbeschreibung können Wissenschaftler Populationen nicht überwachen, potenzielle Gefahren identifizieren oder auf Schutzmaßnahmen drängen.

„Der Ozean verändert sich schnell: steigende Temperaturen, abnehmender Sauerstoffgehalt, Versauerung“, sagt Allen Collins, ein Jelly-Experte mit doppelter Ernennung bei der National Oceanic and Atmospheric Administration und dem Smithsonian National Museum of Natural History. „Es gibt immer noch Hunderttausende, vielleicht sogar Millionen von Arten, die benannt werden müssen, und wir können es uns nicht leisten, zu warten.“

Gelee in vier Dimensionen

Meereswissenschaftler, die gallertartige Kreaturen im mittleren Wasser erforschen, haben alle Horrorgeschichten darüber, wie potenziell neue Arten vor ihren Augen verschwinden. Collins erinnert sich an den Versuch, Rippenquallen im Nasslabor eines NOAA-Forschungsschiffs vor der Küste Floridas zu fotografieren: „Innerhalb weniger Minuten begannen sie aufgrund der Temperatur, des Lichts oder des Drucks einfach auseinanderzufallen“, sagt er. „Ihre Teile haben gerade angefangen, sich zu lösen. Es war eine schreckliche Erfahrung.“

Kakani Katija, Bioingenieurin bei MBARI und die treibende Kraft hinter DeepPIV und EyeRIS, machte sich nicht daran, die Kopfschmerzen des Midwater-Sammlers zu lösen. „DeepPIV wurde entwickelt, um die Strömungsphysik zu untersuchen“, erklärt sie. In den frühen 2010er Jahren waren Katija und ihr Team untersuchten, wie sich Meeresschwämme filtern, und suchten nach einer Möglichkeit, die Bewegung des Wassers zu verfolgen, indem sie die dreidimensionalen Positionen winziger darin schwebender Partikel aufzeichneten.

Später erkannten sie, dass das System auch zum nicht-invasiven Scannen von gallertartigen Tieren verwendet werden könnte. Mit einem leistungsstarken Laser, der an einem ferngesteuerten Fahrzeug montiert ist, beleuchtet DeepPIV jeweils einen Querschnitt des Körpers der Kreatur. „Was wir bekommen, ist ein Video, und jeder Videoframe endet als eines der Bilder unseres Stapels“, sagt Joost Daniels, ein Ingenieur in Katijas Labor, der an der Verfeinerung von DeepPIV arbeitet. „Und sobald Sie einen Stapel Bilder haben, ist es nicht viel anders, als Menschen CT- oder MRT-Scans analysieren würden.“

Letztendlich produziert DeepPIV ein unbewegtes 3D-Modell – aber Meeresbiologen waren begierig darauf, Meereslebewesen in Bewegung zu beobachten. Also haben Katija, MBARI-Ingenieur Paul Roberts und andere Mitglieder des Teams ein Lichtfeldkamerasystem namens EyeRIS entwickelt, das nicht nur die Intensität, sondern auch die genaue Richtung des Lichts in einer Szene erkennt. Ein Mikrolinsen-Array zwischen Kameraobjektiv und Bildsensor zerlegt das Feld in mehrere Ansichten, wie die mehrteilige Vision einer Stubenfliege.

Die rohen, unverarbeiteten Bilder von EyeRIS sehen aus wie das, was passiert, wenn Sie Ihre 3D-Brille während eines Films abnehmen – mehrere versetzte Versionen desselben Objekts. Aber sobald das Filmmaterial nach Tiefe sortiert ist, löst es sich in fein gerenderte dreidimensionale Videos auf, die es Forschern ermöglichen, Verhaltensweisen und feine Lokomotivbewegungen zu beobachten (Gelees sind Experten für Düsenantriebe).

Was ist ein Bild wert?

Im Laufe der Jahrzehnte haben Forscher gelegentlich versucht, neue Arten ohne einen traditionellen Holotyp in der Hand zu beschreiben – eine südafrikanische Bienenfliege nur mit hochauflösenden Fotos, eine kryptische Eule mit Fotos und Anrufaufzeichnungen. Dies kann den Zorn einiger Wissenschaftler hervorrufen: 2016 beispielsweise unterzeichneten Hunderte von Forschern einen Brief, in dem sie die Heiligkeit des traditionellen Holotyps verteidigten.

Aber im Jahr 2017 hat die Internationale Kommission für Zoologische Nomenklatur – das Leitungsgremium, das den Kodex veröffentlicht, der vorschreibt, wie Arten beschrieben werden sollen – eine Klarstellung ihrer Regeln herausgegeben, in der dies erklärt wird Neue Arten können ohne einen physischen Holotyp charakterisiert werden, wenn eine Sammlung nicht möglich ist.

Im Jahr 2020 beschrieb ein Team von Wissenschaftlern, darunter Collins, eine neue Gattung und Art von Wabenqualle auf der Grundlage von hochauflösenden Videos. (Duobrachium sparksae, (wie es getauft wurde, sieht es aus wie ein durchscheinender Thanksgiving-Truthahn mit Luftschlangen, die von seinen Trommelstöcken hängen.) Bemerkenswerterweise gab es kein Murren aus der Erdnussgalerie der Taxonomen – ein Gewinn für die Befürworter digitaler Holotypen.

Laut Collins stärken die Visualisierungstechniken des MBARI-Teams nur die Argumente für digitale Holotypen, da sie den detaillierten anatomischen Studien, die Wissenschaftler an physischen Proben durchführen, näher kommen.

Eine parallele Bewegung zur Digitalisierung bestehender physischer Holotypen gewinnt ebenfalls an Fahrt. Karen Osborn ist Forscherin für wirbellose Mittelwassertiere und Kuratorin für Anneliden und Perakariden – Tiere, die viel substanzieller und einfacher zu sammeln sind als die Mittelwasserquallen – am Smithsonian National Museum of Natural History. Laut Osborn hat die Pandemie den Nutzen von digitalen High-Fidelity-Holotypen unterstrichen. Unzählige Feldexpeditionen wurden durch Reisebeschränkungen versenkt, und Ringelwurm- und Perakaridenforscher „konnten nicht hineingehen [to the lab] und schauen Sie sich irgendwelche Exemplare an“, erklärt sie, also können sie im Moment nichts von physischen Typen beschreiben. Aber das Studium durch die digitale Sammlung boomt.

Mithilfe eines Mikro-CT-Scanners haben Smithsonian-Wissenschaftler Forschern auf der ganzen Welt Zugang zu Holotyp-Proben in Form von „3D-Rekonstruktionen bis ins kleinste Detail“ verschafft. Wenn sie eine Musteranfrage erhält – was normalerweise das Versenden des unbezahlbaren Holotyps mit dem Risiko von Beschädigung oder Verlust beinhaltet – sagt Osborn, dass sie zunächst anbietet, eine virtuelle Version zu senden. Obwohl die meisten Forscher zunächst skeptisch sind, „kommen sie unweigerlich zurück ‚Ja, ich brauche das Präparat nicht. Ich habe alle Informationen, die ich brauche.’“

„EyeRIS und DeepPIV geben uns die Möglichkeit, Dinge vor Ort zu dokumentieren, was noch cooler ist“, fügt Osborn hinzu. Während Forschungsexpeditionen hat sie das System in Aktion an riesigen Larven gesehen, kleinen Wirbellosen, deren komplizierte „Rotzpaläste“ aus abgesondertem Schleim Wissenschaftler nie vollständig intakt untersuchen konnten – bis DeepPIV.

Katija sagt, dass das MBARI-Team über Wege nachdenkt, die Artenbeschreibung nach dem Vorbild von Foldit zu spielen, einem beliebten Citizen-Science-Projekt, bei dem „Spieler“ eine Videospiel-ähnliche Plattform verwenden, um die Struktur von Proteinen zu bestimmen.

Im gleichen Sinne könnten Bürgerwissenschaftler helfen, die von ROVs aufgenommenen Bilder und Scans zu analysieren. „Pokémon Go ließ Leute durch ihre Nachbarschaft wandern und nach gefälschten Dingen suchen“, sagt Katija. „Können wir diese Energie nutzen und Menschen dazu bringen, nach Dingen zu suchen, die der Wissenschaft nicht bekannt sind?“

Elizabeth Anne Brown ist Wissenschaftsjournalistin und lebt in Kopenhagen, Dänemark.