▲ 2013년 3월 ECOHAB 실험이 수행되는 지역

야생 생물을 사멸시키고, 때때로 인간을 병들게 하는 유해 조류 번성(harmful algal bloom)은 골칫거리 이상이다. 그러나 이러한 조류의 번성을 예측하는 것은 기후를 예측하는 것보다 더 어렵다. 그 이유는 조류의 번성이 물리적 및 생물학적 공정 사이에 역학적인 상관관계를 맺으며 일어나기 때문이다. 해양으로 오수 방출과 농지 유출수 배출 같은 인간의 활동이 중요한 역할을 할 것이다.

미국 해양대기관리처(NOAA; National Oceanic and Atmospheric Administration)가 후원하는 ECOHAB(Ecology and Oceanography of Harmful Algal Blooms) 연구 프로그램은 과학자들로 하여금 이러한 문제를 극복하고 조류 번성이 언제, 어디에서 발생할지를 예측하는데 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

2010년 이후 ECOHAB 연구진은 캘리포니아 중부에 위치한 유해한 조류 번성 지역인 몬트레이 만(Monterey Bay)과 캘리포니아 남부의 산페드로 만(San Pedro Bay)에서 현장 실험을 수행해왔다. 2013년 3월 동안, 연구진은 산페드로 만 남부 지역에서 1개월에 걸친 연구를 수행 중이다.

ECOHAB 연구를 UC Santa Cruz(University of California, Santa Cruz) 소속의 Raphael Kudela가 지휘하고, 현장 프로그램은 MBARI(Monterey Bay Aquarium Research Institute)의 무인 수중 잠수정(AUVs; autonomous underwater vehicles)과 환경 시료 처리기관으로 알려져 있는 로봇 DNA 실험실(robotic DNA labs)뿐 아니라 다수의 MBARI 연구진이 참여했다. ECOHAB에서 사용된 다수의 도구와 연구 전략은 MBARI의 CANON(Controlled, Agile, and Novel Observing Network) 이니셔티브의 일환으로 개발됐다.

2013년 3월 실험 동안, 연구진은 규조류의 일종인 Pseudo-nitzschia australis라고 불리는 미세 조류를 추적했다. Pseudo-nitzschia는 때때로 멸치류와 같은 작은 어류의 체내에 축적될 수 있는 신경독소를 생산한다. 바다사자, 펠리컨 및 다른 바닷새 등과 같은 포식자가 이러한 어류를 섭취할 때, 상위 포식자는 발작과 기관 손상을 경험할 수 있다. 또 과학자들은 두 번째 유형의 유해한 조류인 적조를 일으키는 dinoflagellate Alexandrium catenella를 감시했다. 이러한 조류로부터 유발되는 독소는 갑각류에서 농축되어, 마비를 유발하는 갑각류 중독을 일으킬 수 있다.

▲ 연구 선박으로부터 진수되는 MBARI의 Gulper 무인 수중 잠수정

연구진은 산페드로 만에서 조류가 번성하는 원인을 규명하고, 이러한 조류가 시간에 따라 어떻게 진화하는지 규명하기 위하여 두 척의 선박, 6개의 해저 로봇, 정박된 도구 및 인공위성 등으로부터 자료를 수집하고 있다. 또 연구진은 조류가 번성하기 전과 조류가 번성하는 기간 동안 해양 조건을 얼마나 잘 예측할 수 있는지를 확인하기 위하여 컴퓨터 모델을 이용하고 있다. 실제적으로, 연구진은 조류가 번성하기 전 조류의 번성을 예측하기 위하여 이러한 모델의 적용을 바라고 있다.

연구진은 유해한 조류가 산페드로 대륙붕(San Pedro Shelf)에 걸쳐 어떻게 번성하는지에 관하여 아래와 같은 몇 가지 가정을 근거로 하는 실험을 계획했다. 산페드로 대륙붕은 산페드로 만 남쪽의 상대적으로 좁은 해저 바닥의 편평한 지역이다.

1. 대부분의 시간 동안 Pseudo-nitzschia 규조류는 대륙붕 연안의 표면 아래 20~50 미터의 더 깊은 해수에서 부유한다. 많은 일광이 없을 때, 이러한 조류는 동면하거나 매우 느리게 복제한다.
2. 강력한 북서풍이 연안 해수 또는 산페드로 대륙붕 북쪽으로 불어올 때, 북서풍이 표면수를 해안까지 밀어, 더 깊은 해수를 표면으로 이동시킨다.
3. 표층수에 하루 또는 이틀 정도 햇빛이 비친 후, 규조류가 급속하게 번식하여 번성한다.

초기 조류 번성을 추적할 수 있기 전, 연구진은 조류를 발견해야만 한다. 조류 번성이 표면에서 이루어진다면, 하늘은 구름 없이 맑을 것이고, 이러한 조류의 번성은 인공위성에서 포착될 수 있다. 그러나 산페드로 대륙붕 인근에서 조류 번성은 더 깊은 해수에서 시작될 것이며, 인공위성에서 포착할 수 있는 깊이보다 더 아래에서 이루어진다. 이런 비밀스러운 조류 번성을 규명하기 위하여 과학자들은 로봇을 보낸다.

연구진은 3월 실험이 수행되는 동안 몇 가지 유형의 해저 로봇을 이용 중이다. 글라이더(glider)라고 부르는 느리게 이동하지만, 오랫동안 지속되는 로봇은 대륙붕 해수와 보다 더 먼 연안의 해수 흐름을 모니터링하기 위하여 앞뒤로 이동한다. 해안에 가까워질수록, MBARI의 장거리 AUVs(LRAUVs)는 대륙붕을 가로지르는 두 개의 교차 경로를 추적한다. 연구진의 LRAUV는 하루 6번 대륙붕을 가로질러 앞뒤로 이동한다. 다른 LRAUV는 하루 3번 연안과 평행하게 대륙붕을 직사각형 경로로 이동한다. 이러한 해저 로봇은 다른 센서뿐 아니라 수온, 화학 및 클로로필(chlorophyll, 물에서 조류 지표) 등을 측정하는 도구를 운반한다.

이러한 로봇 중 하나인 sentry가 조류의 상당한 무리를 발견할 때, 연구진은 얼마나 큰 무리가 있는지, 어디로 향하는지를 규명하기 위하여 MBARI의 Gulper 무인 수중 잠수정을 보낼 것이다. Gulper 무인 수중 잠수정은 조류 무리의 안과 밖 모두에서 물 시료를 수집할 수 있다. 이 단계에서 Gulper 무인 수중 잠수정의 인공지능이 도움이 된다.

▲ ROMS(Regional Ocean Modeling System) 컴퓨터 모델로 구축된 표면 해수 온도(푸른색과 노란색)와 해류(검은색)를 예측

조류 무리를 발견한 후, 다음 단계는 해류에 따라 이러한 무리가 어디로 이동할 것인지 추적하는 것이다. Gulper 무인 수중 잠수정에서 얻은 자료를 근거로, 연구진은 조류의 농도가 짙은 무리의 깊이와 위치에 표류자(drifter)를 배치할 것이다. 하루하루 이러한 표류자를 추적함으로써, 연구진은 조류의 이동과 시간에 따른 진화를 추적할 수 있다. 또 연구진은 해류가 어디로 흐르는지를 이해하고, 이러한 해류가 이어지는 날에 걸쳐 어떻게 변화할지를 예측하기 위하여 컴퓨터 모델을 사용하고 있다.

많은 글라이더와 무인 수중 잠수정이 물에서 클로로필 양을 근거로 하는 조류 번성을 감지할 수 있다고 하더라고, 과학자들이 어떤 유형의 조류가 현재 번성하는지 규명하는 것은 훨씬 더 어렵다. 전통적으로 과학자들은 해수에서 물 시료를 수거하여 해안으로 가져와 현미경으로 관찰하여 이러한 과제를 수행해야만 했다.

그러나 MBARI의 ESP(Environmental Sample Processor)는 이러한 테스트를 자동으로 수행할 수 있고, 몇 시간 이내에 해안으로 결과를 보내줄 수 있다. 이러한 실험에 대하여, MBARI 연구진은 표면 아래의 조류 번성을 감지하기 위하여 대륙붕 외곽 부분 인근의 표면 아래 약 25 미터에 한 개의 ESP를 배치했다. 두 번째 ESP는 보다 더 가까운 표면의 조류를 감지하기 위하여 해안에 가까운 더 얕은 해수에 배치됐다. 또 ESP는 조류가 얼마나 많은 독소를 생성할 수 있는지를 감지할 수 있다. 연구진은 해안으로부터 ESPs를 제어하여, 만약 조류가 도구 인근에서 발생하거나 통과할 경우 보다 더 빈번한 시료 채집을 할 수 있도록 알려준다.

연구진은 실험실에서 조류를 성장시켜, 조류가 얼마나 건강한지, 얼마나 빠르게 성장하고 복제하는지를 규명할 계획이다. 다른 양의 일광 및 영양분 조건 하에서 조류를 성장시킴으로써, 연구진은 환경 조건이 조류 성장 속도에 어떻게 영향을 끼치고, 조류가 생산하는 독소의 양이 얼마인지를 규명할 수 있다.

많은 거대한 해양 연구 프로그램과 마찬가지로, 이 실험에는 인공위성 이미지에서 DNA 시퀀싱에 이르는 모든 것을 특성화하기 위하여 다학제 연구팀이 관여한다.

몇 십 년 동안 해양학자들은 왜 캘리포니아 주 해안에서 해로운 조류 번성이 특정 지역에서 더 빈번하게 일어나는지를 규명하고자 노력했다. 지금까지, 해양학자들은 제한된 성공만을 이루었다. 그러나 MBARI 소속의 생물 해양학자인 John Ryan은 연구진이 현재 이러한 오래된 문제에 답을 제공하기 위한 빈틈없는 자원을 가지고 있다고 밝혔다.

이러한 로봇, 선박, 실험실에서 수행된 실험 및 모델 등으로부터 얻은 자료를 통합하여, 연구진은 산페드로 만에서 유해한 조류 번성을 촉진하는 가장 물리적인 조건에 대한 세부적인 견해를 얻을 것이다. 이후 얻어진 결과는 최신 컴퓨터 모델에 통합될 수 있다. 기후 예보 모델과 마찬가지로, 이러한 해양 모델은 풍력과 해류와 같은 물리적 공정을 보다 더 잘 예측할 수 있다. 수년 이내에, 과학자들은 모델의 풍력과 해류 예측을 수행할 것이며, 이 모델을 조류 번성과 같은 생물학적 사건을 예측하는데 사용하게 될 것이다.

ECOHAB 실험은 세 가지 단계를 가진 보다 더 큰 NOAA 이니셔티브의 일환이다. 세 가지 단계는 첫째, 이러한 조류 번성의 생태학을 규명하고, 둘째, 조류 번성을 모니터링하고 이에 반응하는 방법을 찾고, 셋째, 최종적으로 이러한 조류 번성의 영향을 예방하거나 완화시키는 방안을 찾는 것이라고 Ryan은 설명했다.
 
                                                  [출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 03. 27]



[원문보기]

Killing wildlife and occasionally sickening people, harmful algal blooms can be more than just a nuisance. But predicting these blooms is difficult—even more difficult than predicting the weather—because blooms result from a dynamic interaction between both physical and biological processes. Human activities, such as agricultural runoff and sewage discharges into the ocean, may also play a role.

AGV of Aichikikai techno - We propose streamlined AGV systems.(Automatic Guided Vehicle) - www.aiki-tcs.co.jp

The ECOHAB (Ecology and Oceanography of Harmful Algal Blooms) research program, sponsored by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), is providing key information that may one day allow researchers to overcome these challenges and predict when and where blooms are likely to occur. Since 2010, ECOHAB researchers have been conducting field experiments at two harmful algal bloom "hot spots"—Monterey Bay, in Central California, and San Pedro Bay, in Southern California. During March 2013, researchers will be conducting a month-long study of at the southern site in San Pedro Bay.

The ECOHAB research grant is overseen by Raphael Kudela of the University of California, Santa Cruz, but the field program involves a number of MBARI researchers, as well as MBARI's autonomous underwater vehicles (AUVs) and robotic DNA labs known as Environmental Sample Processors. Many of the tools and research strategies used in the ECOHAB experiment were developed as part of MBARI's Controlled, Agile, and Novel Observing Network (CANON) Initiative.

In pursuit of microscopic prey

During the March 2013 experiment, researchers are on the hunt for a type of microscopic alga (a diatom) called Pseudo-nitzschia australis. Pseudo-nitzschia diatoms sometimes produce a neurotoxin that can become concentrated in the bodies small fish such as anchovies. When predators such as sea lions, pelicans, or other sea birds eat these fish, they may experience seizures and organ damage. The scientists are also keeping a lookout for a second type of harmful alga, the "red-tide" dinoflagellate Alexandrium catenella. Toxins from this alga are concentrated by shellfish and can cause paralytic shellfish poisoning.

Brain Exercises - Improve Memory and Attention with Brain Games by Scientists - www.lumosity.com

The researchers are collecting data from two ships, half a dozen underwater robots, moored instruments, and satellites, to figure out what causes algae to bloom in San Pedro Bay, and how such blooms evolve over time. They are also using computer models to see how well they can predict ocean conditions before and during the bloom. Eventually they hope to adapt these models to predict blooms before they occur. The researchers planned their experiment based on several hypotheses about how harmful algal blooms develop over the San Pedro Shelf (an area of flat, relatively shallow seafloor are just south of San Pedro Bay):

- Most of the time, Pseudo-nitzschia diatoms drift around in deeper water (20 to 50 meters below the surface) just offshore of the Shelf. Without much sunlight, these algae go dormant or reproduce very slowly.

- When strong northwest winds blow over the waters just offshore or to the north of the San Pedro Shelf, they push the surface water away from shore and bring deeper water (as well as Pseudo-nitzschia diatoms) up toward the surface.

- After a day or two in the sunlit surface waters, the diatoms begin to reproduce rapidly, forming a bloom.

Digging beneath the surface

Before the researchers can track an incipient algal bloom, they have to find it. If the bloom is at the surface, and the sky is not cloudy, the bloom can be seen by satellites. But blooms near the San Pedro Shelf may begin in deeper water, far below the depths visible to satellites. To find these "cryptic" blooms, scientists have to send in the robots.

Researchers are using several types of underwater robots during the March experiment. Slow-moving but long-lasting robots called "gliders" are cruising back and forth through the waters over the Shelf and further offshore, monitoring the water flowing onto and off of the Shelf. Closer to shore, MBARI's long-range AUVs (LRAUVs) are following two intersecting paths across the Shelf. One LRAUV travels back and forth across the Shelf six times a day. The other LRAUV travels in a rectangular path over the shelf and parallel to shore three times a day. All of these underwater robots carry instruments to measure water temperature, chemistry, and chlorophyll (an indicator of algae in the water), as well as other sensors.

When one of these robotic "sentries" finds a significant patch of algae, researchers will send out MBARI's "Gulper" AUV to figure out how big the patch is and where it's going. As its name suggests, the Gulper AUV can also collect water samples, both outside and inside a patch of algae. At this stage, the Gulper AUV's artificial intelligence comes in handy. Not only can the AUV change its course to find the densest layers or patches of algae, it can also be programmed to follow the patches as they drift with the currents.

After finding a patch of algae, the next step is to try to follow the patch as it drifts with the currents. Based on data from the Gulper AUV, the researchers will place "drifters" at the depths and locations of dense patches of algae. By following these drifters from day to day, the researchers hope that they can also follow the bloom as it moves and evolves over time. The researchers are also using computer models to understand where ocean currents are flowing, and to predict how these currents might change over subsequent days.

Knock knock–who's there?

Although many gliders and AUVs can detect algal blooms based on the amount of chlorophyll in the water, it is much more difficult for researchers to figure out what types of algae are present in the bloom. Traditionally scientists have had to do this by collecting water samples at sea, bringing them back to shore, then examining them under a microscope.

MBARI's Environmental Sample Processors (ESPs), however, can perform such tests automatically and send the results back to shore within a matter of hours. For this experiment, MBARI researchers have placed one ESP about 25 meters below the surface, near the outer part of the shelf, to detect subsurface algal blooms. The second was placed in shallower water closer to shore to detect blooms nearer the surface. The ESPs can also detect how much toxin the algae may be producing. Researchers control the ESPs from shore, telling them to sample more frequently if a bloom is passing by or taking place near the instrument.

Complementing the work of the ESPs, researchers from several institutions will use the water samples collected by the Gulper AUV and research vessels to perform their own DNA analyses. They will also grow the algae in the lab to figure out how healthy they are and how fast they are growing and reproducing. By growing the algae under different amounts of light and nutrients, researchers can figure out how environmental conditions affect algal growth rates and the amount of toxin they produce.

Like many large ocean-research programs, this experiment involves a large, interdisciplinary team of researchers specializing in everything from satellite imaging to DNA sequencing. Organizational partners in this study include the University of Southern California, Moss Landing Marine Laboratories, Scripps Institution of Oceanography, NASA Jet Propulsion Laboratory, and the Southern California Coastal Research Project (a research program sponsored by Southern California wastewater treatment facilities).

Hope for the future

For decades, oceanographers have tried to figure out why harmful algal blooms on the California coast occur more often at certain locations, or during some years but not others. So far they have had only limited success. However, according to John Ryan, a biological oceanographer at MBARI, "We now have the observing resources to answer these longstanding questions."

By combining the data from all of these robots, ships, lab experiments, and models, researchers will get a detailed view of what physical conditions are most likely to trigger harmful algal blooms in San Pedro Bay. These results can then be incorporated into state-of-the-art computer models.

Like weather-forecasting models, these ocean models do a pretty good job at predicting physical processes such as winds and currents. The hope is that, within a few years, scientists will be able to take the models' wind and current predictions and use these to predict biological events such as algal blooms.

But that's not the end of the story. As Ryan explains, "The ECOHAB experiment is part of a larger NOAA initiative that has three phases—first to understand the ecology of these blooms, then to find ways to monitor and respond to them, and finally to figure out ways to prevent or mitigate their impacts. That's the real end game."

                                          [원문출처 = http://phys.org/news/2013-03-ecohab-algal-blooms.html]