Tiere in der Tiefsee mit einem Laserlichtbogen abbilden

Die Herausforderung

Die Kombination aus völliger Dunkelheit, extremem Druck und niedrigen Temperaturen macht die Tiefsee zu einer einzigartigen Umgebung. Diese beherbergt jedoch überraschenderweise ein bemerkenswert geschäftiges und komplexes Ökosystem. Sie beherbergt erstaunliches und vielfältiges Leben, das Wissenschaftler besser verstehen wollen. Ein multidisziplinäres Forschungsteam (das Bioinspiration Lab) am MBARI (Monterey Bay Aquarium Research Institute) konzentriert sich auf die Untersuchung der Form und Funktion dieser Organismen, einschließlich der Biomechanik und der Interaktionen mit ihrer flüssigen Umgebung. Diese Arbeit ist mit vielen Herausforderungen verbunden, da es sich in der Regel um empfindliche, durchscheinende Wesen handelt, die leicht durch physischen Kontakt oder durch das Auftauchen an der Oberfläche beschädigt werden können. Das Team hat zwar einige Erfolge damit erzielt, behutsam Proben zu sammeln und sie anschließend schnell im Labor zu untersuchen, aber es ist dennoch notwendig, diese Organismen in ihrer Heimat in der Tiefsee abbilden und analysieren zu können.

Die Lösung

Joost Daniels, ein Forschungsingenieur im Team, erklärt: „Wir hatten im Labor einen optischen Aufbau auf einem Steckbrett entwickelt, um Bilder aufzunehmen. Dazu gehörte auch ein Standardverfahren für die Partikel-Imaging-Velocimetry (PIV), um Details der Wasserströmung aufgrund ihrer Schwimm- und anderer Bewegungen zu sehen. Wir haben uns dann daran gemacht, dies in einem kompakten, robusten Instrument nachzubilden, das auf einem ferngesteuerten Fahrzeug (ROV) in bis zu 4 km Tiefe montiert werden kann.“ Dieses Instrument, DeepPIV, beleuchtet die Probe innerhalb einer dünnen (1 mm) Schicht aus Laserlicht und nimmt 2D-Bilder mit einer Digitalkamera auf. 3D-Scans werden erzeugt, indem das gesamte Fahrzeug und das Instrument relativ zu einem Zieltier bewegt werden und dann eine Bildrekonstruktion durchgeführt wird. Das Team wählte aus mehreren Gründen einen CW-Laser (Coherent Genesis) mit 2 Watt rauscharmer Leistung bei 639 nm. Daniels erklärt: „Das wenige Licht, das die Organismen in der Tiefsee erreicht, ist blau oder grün – sie sind noch nie mit rotem Licht in Berührung gekommen und die meisten von ihnen sind völlig unempfindlich dagegen. Unsere Technik stört ihr natürliches Verhalten also in keiner Weise.“ Er fügt hinzu, dass sie eine Leistung von mindestens 2 Watt benötigten, um ein 55 cm x 30 cm großes Bild mit bis zu 60 Bildern pro Sekunde zu beleuchten. Der Laser musste außerdem robust und zuverlässig sein und durfte keine unerwarteten Ausfallzeiten haben. Er nennt die Richtungsstabilität und ein TEM00-Strahlprofil als weitere wichtige Voraussetzungen für eine effiziente Faserankopplung vom wasserdichten Schutzgehäuse zum Ende des ROV-Gelenkarms.

Das Ergebnis

Zu den empfindlichsten Strukturen in der Tiefsee gehören mukoide Strukturen, die von Tieren wie Larven zum Nahrungserwerb und zur Vermeidung von Raubtieren abgesondert werden. Eine der Studien, die das MBARI-Team erfolgreich mit seinem DeepPIV-System durchgeführt hat, hat hochauflösende 3D-Bilder von einigen dieser Schleimformen erzeugt, die Details sowohl ihrer Struktur als auch ihrer Funktion enthüllen (ref). Das System wird hauptsächlich im tiefen Monterey Canyon eingesetzt und ist für eine Tiefe von 4.000 Metern ausgelegt. Bei fast 6000 psi kann man das durchaus als Hochdruck-Forschungsumgebung bezeichnen!

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