Viviendo en un ambiente esencialmente de gravedad cero, muchos animales de aguas profundas han desarrollado cuerpos gelatinosos y blandos y recolectan alimentos utilizando elaborados filtros de moco. Hasta ahora, estudiar estas delicadas estructuras ha sido prácticamente imposible. Un nuevo estudio publicado en la revista Naturaleza describe un sistema único basado en láser para construir modelos 3D de animales marinos diáfanos y las estructuras mucosas que secretan.
Según Kakani Katija, ingeniero principal de MBARI y autor principal del nuevo artículo, "El moco es omnipresente en el océano, y los animales crean estructuras de moco complejas para la alimentación, la salud y la protección. Ahora que tenemos una manera devisualice estas estructuras muy por debajo de la superficie, finalmente podemos entender cómo funcionan y qué roles juegan en el océano ".
Para este estudio, los investigadores se centraron en uno de los arquitectos de moco más prolíficos, los animales de aguas profundas llamados larvas. Las larvas son abundantes en todas las cuencas oceánicas del mundo y varían desde menos de un centímetro a aproximadamente 10 centímetros de longitud.Las larvas "gigantes" crean redes de mucosidad en forma de globo que pueden tener hasta un metro de diámetro. Dentro de estos filtros externos hay filtros internos más pequeños, del tamaño de un puño, que los animales usan para alimentarse de pequeñas partículas y organismos, que van desde menos de una micra hastaunos pocos milímetros de tamaño.
A pesar de sus cuerpos insustanciales, las larvas eliminan grandes cantidades de alimentos ricos en carbono del agua circundante. Cuando sus filtros de moco se obstruyen, los animales liberan el moco, que se hunde rápidamente en el fondo marino. Esto ayuda al océano a eliminar el dióxido de carbono delatmósfera y transporta microplásticos desde la columna de agua hasta el fondo marino.
Los investigadores, como el científico principal y coautor de MBARI Bruce Robison, han estado interesados durante mucho tiempo en cómo las larvas pueden filtrar una amplia variedad de partículas mientras procesan grandes volúmenes de agua hasta 80 litros por hora.filtros de larvas más pequeños en el laboratorio, pero este es el primer estudio que proporciona datos cuantitativos sobre estas estructuras mucosas en el océano abierto.
Para reunir estos datos, Katija, que dirige el Laboratorio de Bioinspiración de MBARI, trabajó con un equipo de ingenieros, científicos y pilotos sumergibles para desarrollar un instrumento llamado DeepPIV PIV significa velocimetría de imágenes de partículas. Montado en un vehículo operado de forma remota ROV, el instrumento DeepPIV proyecta una lámina de luz láser que ilumina partículas en el agua, como motas de polvo en un rayo de sol. Al registrar el movimiento de estas partículas en video, los investigadores pueden cuantificar pequeñas corrientes alrededor de los animales marinos, así como el agua que fluye a través de susfiltros y sus cuerpos transparentes.
Durante los despliegues de campo del sistema DeepPIV, Katija y sus colegas descubrieron que, a medida que el ROV se movía hacia adelante y hacia atrás, la lámina de luz láser revelaba una serie de secciones transversales a través de los cuerpos transparentes y gelatinosos y los filtros de moco de las larvas gigantes.Al reunir una serie de estas imágenes transversales, el equipo pudo crear reconstrucciones tridimensionales de larvas individuales y sus filtros, al igual que los radiólogos después de una tomografía computarizada de un cuerpo humano.
La recopilación de imágenes de video de alta fidelidad requirió un piloto experto de los ROV de MBARI. "Usar DeepPIV para recopilar estas secciones transversales en 3D es probablemente la cosa más difícil que he hecho con un ROV", dijo Knute Brekke, piloto jefe de ROV Doc Ricketts."Estábamos usando un robot de 12,000 libras para mover una lámina láser de un milímetro de espesor hacia adelante y hacia atrás a través de una larva y su filtro de moco del tamaño de un puño que se desplazaba a cientos de metros debajo de la superficie del océano".
Combinando modelos tridimensionales de filtros de larvas con observaciones de patrones de flujo a través de los filtros, Katija y sus colaboradores pudieron, por primera vez, identificar la forma y la función de diferentes partes del filtro interno de las larvas. Utilizando el software de renderizado 3D, pudieron "volar" virtualmente a través del filtro interno y estudiar el flujo de fluido y partículas a través de diferentes partes del filtro.
"Ahora tenemos una técnica para comprender la forma de estas estructuras complejas y cómo funcionan", explicó Katija. "Nadie ha hecho reconstrucciones 3D in situ de formas mucosas como esta antes".
"Entre otras cosas, esperamos comprender cómo las larvas construyen e inflan estas estructuras", continuó. "Esto podría ayudarnos a diseñar mejores impresoras 3D o construir estructuras inflables complejas que podrían usarse en una serie de entornos".incluyendo bajo el agua y en el espacio exterior.
Ampliando este trabajo, los miembros del Laboratorio de Bioinspiración están experimentando con nuevos sistemas de imágenes 3D pleópticas que pueden capturar información muy precisa sobre la intensidad, el color y la dirección de la luz en una escena. También están colaborando en el desarrollo de nuevosrobots submarinos que podrán seguir animales gelatinosos a través del agua durante horas o días a la vez.
"En este documento, hemos demostrado un nuevo sistema que funciona bien con una variedad de vehículos submarinos y organismos de aguas medias", dijo Katija. "Ahora que tenemos una herramienta para estudiar los sistemas de filtración de moco que se encuentran en todo el océano, podemosfinalmente sacar a la luz algunas de las estructuras más complejas de la naturaleza "
"DeepPIV ha revelado una maravilla de la ingeniería natural en la estructura de estas redes de filtrado complejas e intrincadas", dijo Robison. "Y en DeepPIV, la ingeniería humana ha producido una nueva herramienta poderosa para investigar estos y otros misterios del océano profundo."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey . Original escrito por Kim Fulton-Bennett. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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