讀特&深圳晚報?|?這群人把顯微鏡搬下海,不僅僅為看一眼浮游生物的大千世界
水下暗場成像儀每秒拍3張照片,就讓我們看到了地球上最大規(guī)模的動物遷徙?!贝簌i灣海洋綜合試驗場內(nèi),海面波光粼粼,水下暗場成像儀IPP靜靜地搭載在浮排的水下儀器架中,鏡頭朝向海底。每隔3秒,儀器便自動“按下”快門,捕捉百微米級浮游生物的瞬間姿態(tài),影像經(jīng)由無線信號傳回陸地,匯成一片肉眼難見的水下微觀天地。這是中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院正高級工程師李劍平博士團隊的科研日常,他們把顯微鏡搬入海洋,為浮游生物做“原位寫真”,解鎖海洋生態(tài)的隱秘密碼。
生命來源于海洋,看似透明的海水,實則每一滴都蘊藏著一個微觀世界。假如1毫升海水中有1只橈足類浮游動物,則其總量就達到了4x10的21次方個,換算成生物量,大約是人類的500倍,而橈足只不過是無數(shù)種浮游生物中的一類而已。地球表面70.8%的面積被海水覆蓋,浮游植物貢獻了地球50%的氧氣,地球其實是一個名副其實的浮游生物星球。
“地球最大規(guī)模的動物遷徙,實際上是海洋中浮游動物的晝夜垂直遷徙。我們像人口普查一樣,對一個海區(qū),一段時期甚至全球的浮游生物的物種種類、數(shù)量豐度、時空分布、生理狀態(tài)和相互作用進行觀測研究,就可以有效預(yù)測生態(tài)災(zāi)害,一定程度上輔助做好應(yīng)對預(yù)案,減少經(jīng)濟損失。在IPP研制時的海試期間,我們就遇到了大亞灣海域歷史上一次著名的尖筆帽螺暴發(fā)事件。經(jīng)IPP采集圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計,當(dāng)時尖筆帽螺的豐度達到了每立方米近3500只,附近的核電站的安全員們?yōu)榇硕冗^了多個緊張的不眠之夜?!崩顒ζ秸f。這次成功的監(jiān)測發(fā)生在2020年,是IPP早期能力的一次有力證明。
李劍平提到的水下暗場成像儀,正是他和團隊用多年時間在國家重點研發(fā)計劃等項目支持下做出的一臺可以在海面錨系浮標下長期工作的水下顯微鏡。這臺名為IPP的儀器,全稱Imaging Plankton Probe,寓意著“能夠?qū)Ω∮紊锍上竦暮Q筇结槨?。這個名字背后有兩層深意:一方面,儀器相對于浩瀚海洋而言非常渺??;另一方面,研發(fā)團隊始終希望它能越來越便攜、靈巧,深入更多海域。這臺圓柱形的儀器看似其貌不揚,卻在水下猶如“鷹眼”,為科研團隊打開了更廣闊的微觀視角。
長期以來,科研人員靠網(wǎng)采、瓶采獲取樣品,經(jīng)化學(xué)固定后鏡檢。這種方法不僅流程繁瑣、破壞生物原貌,導(dǎo)致標本失色、殘缺,試劑揮發(fā)還危害操作者健康,難以還原浮游生物的真實狀態(tài)。
“工欲善其事,必先利其器,硬件創(chuàng)新是我們探索深藍的‘硬實力’。”李劍平說。自2016年相關(guān)重點研發(fā)項目啟動以來,這支團隊便踏上了這條漫長而艱辛的研發(fā)之路。經(jīng)過多年不懈攻關(guān),李劍平團隊研制出水下暗場成像儀IPP,把顯微鏡直接搬下海,實現(xiàn)原位觀測活體浮游生物。這款儀器的研發(fā)歷經(jīng)多個項目的接力支持,在不斷迭代中完善、進步,變得日益可靠和智能。這正體現(xiàn)了海洋原位觀測儀器研發(fā)之不易——西方海洋強國的類似儀器發(fā)展史動輒長達二三十年。
這款水下暗場成像儀不僅采用了精準的光學(xué)成像系統(tǒng),可以對浮游生物的尺寸進行準確的測量,更在設(shè)計上進行一系列創(chuàng)新,如鏡頭朝向海面以下可以避免日光影響成像,360°無影照明燈、抗生物附著措施等更進一步提升了成像的性能,加強了儀器的部署可靠性。李劍平團隊使用樣機在深圳大亞灣海域的魚排下通過四次海試,就累計得到了上百萬張各類浮游生物的優(yōu)質(zhì)圖像,為后續(xù)的軟件團隊開發(fā)算法儲備了數(shù)據(jù)。
有了IPP的幫助,“軟實力”也開始發(fā)揮關(guān)鍵作用,李劍平團隊組建起一支精干的軟件算法開發(fā)團隊,在深深扎根海域?qū)嵉乇O(jiān)測的同時,經(jīng)過學(xué)生標注、專家校正、機器迭代,將涵蓋了超過110類浮游生物和顆粒物的5萬張圖像采集入庫,構(gòu)建起中國首個海洋中大型浮游生物原位圖像數(shù)據(jù)庫DYB-PlanktonNet。如今,這個開放數(shù)據(jù)庫已經(jīng)被下載了15萬余次,為全世界更多科學(xué)家開展人工智能技術(shù)的訓(xùn)練研究提供“燃料”。
“我們攜帶最新裝備進入更多海域,通過觀測陸續(xù)看到了多種可能會導(dǎo)致核電站冷源取水堵塞的致災(zāi)生物,如束毛藻、球形棕囊藻、夜光藻、毛蝦、球形側(cè)腕水母等,我們把它們叫做‘六魁首’?!崩顒ζ浇榻B。他和團隊把這六大致災(zāi)生物的圖像都加入了數(shù)據(jù)庫,使IPP的AI識別系統(tǒng)對它們具有監(jiān)測能力,對未來的核電安全監(jiān)測形成重要助力。
隨著海洋探索不斷深入,IPP的服役步伐也在穩(wěn)步擴大:2024年初,它被部署在大鵬灣海域的“合作者號”海洋波浪能生態(tài)浮標上;2025年初,它又被部署于大鵬灣南澳海上綜合測試場,持續(xù)拓展觀測視野。這些新的部署,一方面是為了讓儀器在真實、復(fù)雜的海洋環(huán)境中不斷測試、磨合、完善,使其變得更加可靠和智能;另一方面,也為深圳“美麗海灣”的生態(tài)監(jiān)測與保護,持續(xù)貢獻著寶貴的一手數(shù)據(jù)。
談起多年來和海洋儀器一起度過的日日夜夜,李劍平感慨萬千。今年是他在中國科學(xué)院工作的第十年,也恰是研制這臺IPP儀器的第十年?!八^十年磨一劍?!彼f道,“發(fā)展海洋儀器不僅能在研發(fā)、創(chuàng)新的過程中讓更多的專業(yè)交叉起來,更可以一邊拓展人類對海洋的認知,一邊培養(yǎng)和鍛煉人才,是海洋強國戰(zhàn)略所需,也是我們的未來所在?!边@段從無到有、從原理到產(chǎn)品、從近海到更廣闊水域的旅程,不僅打磨出一件可靠的科研利器,更凝結(jié)了一群海洋科技工作者長達十年的專注、智慧與熱忱,在逐夢深藍的航路上持續(xù)閃耀。
讀特&深圳晚報記者 魏羽辰

李劍平團隊研發(fā)的浮游生物原位成像儀懸在浮標上

尖筆帽螺

大亞灣海域尖筆帽螺暴發(fā)

李劍平在海上浮排工作到深夜 ,測試部署浮游生物原位成像儀
附件下載: