Новый 3D-метод создания реалистичных искусственных водных сред обитания
Исследователи разработали новый метод создания реалистичных искусственных водных сред обитания, который поможет ученым лучше понимать и восстанавливать реальные экосистемы.
Анери Гарг, разработавшая метод 3D-сканирования, печати, формования и литья (3D-SPMC) в рамках магистерской диссертации под руководством Стефани Грин, впервые применила его в проекте, связанном с коралловыми рифами. Изучение особенностей живых сред, которые привлекают и удерживают различные организмы, имеет решающее значение для исследований экологического выбора местообитаний и, как следствие, для планирования восстановления.
"В частности, биогенные (живые) среды обитания имеют определенные структурные особенности или архитектурную сложность, но также состоят из живой ткани", — говорит Гарг. — "Мы пытаемся ответить на как можно больше фундаментальных вопросов об этих очень важных средах обитания".
Грин отмечает, что коралловые рифы в Карибском бассейне, где работают исследователи, потеряли 80% своих кораллов за последние десятилетия. Утрата или деградация мест обитания, включая водные среды, такие как коралловые рифы, также была определена как основная угроза для 85% видов из "красного списка" находящихся под угрозой исчезновения видов Международного союза охраны природы.
Гарг и ее команда смогли создать 3D-искусственные среды обитания, которые выглядят реалистично и остаются стабильными под водой. Это позволяет проводить длительные наблюдения и является важным инструментом для изучения поведения рыб и других подводных организмов.
Метод 3D-SPMC можно использовать для широкого круга целей, включая планирование восстановления водных сред, и каждый этап процесса можно изменять или адаптировать под конкретные задачи.
Междисциплинарный метод
Разрабатывая метод, Гарг сначала изучила текущие практики создания таких искусственных сред, проанализировав используемые материалы, методы, а также их проблемы и ограничения. Затем она создала интегративный метод, учитывая три ключевых критерия: доступность, масштабируемость и экологические соображения.
Ей требовался экономически эффективный способ создать около 400 искусственных фрагментов кораллового рифа для исследовательского проекта. Они должны были быть максимально реалистичными для сбора точных данных о взаимодействии подводных организмов с ними. Также важно было не вносить дополнительный пластик в океан и не использовать материалы, способные выщелачивать загрязняющие вещества в воду.
"Метод предполагал размышления о том, как уменьшить отрицательные характеристики и интегрировать положительные характеристики этих различных материалов и методов", — говорит Гарг.
Исследователи прогнозируют, что метод 3D-SPMC работает наравне или лучше, чем другие материалы и конструкции искусственных сред обитания, обычно используемые в исследованиях выбора местообитаний.
Создание метода не было линейным процессом. Гарг перенимала опыт у специалистов из разных областей — от палеонтологии до инженерии и искусства, — постепенно совершенствуя свой подход.
Она начала с использования 3D-сканера для захвата формы и мельчайших деталей коралловых скелетов, предоставленных хранителем коллекции беспозвоночных биологического факультета Хизер Проктор. Затем она "оживила" сканы с помощью 3D-принтера, слегка изменив структуру, чтобы ускорить процесс печати и облегчить формование.
Далее Гарг залила тип силикона на 3D-печатные фигуры, чтобы создать набор форм. "Мы сделали что-то вроде лотка для кубиков льда — листы форм, которые можно было быстро использовать для масштабирования производства искусственных кораллов и которые можно было использовать повторно". Наконец, она использовала бетонную смесь для столешниц, чтобы заполнить формы и создать сами структуры кораллового рифа.
Создано в лаборатории, высажено в океане
Чтобы проверить эффективность нового метода и начать отвечать на другие ключевые вопросы о водных организмах и их взаимодействии со средой обитания, Гарг и ее команде пришлось доставить искусственные кораллы в океан.
"Восстановление кораллов почти аналогично посадке деревьев. Вы выращиваете множество молодых кораллов в питомнике, затем переносите их туда, куда хотите, и высаживаете там", — говорит Гарг.
Взяв за основу лучшие практики Фонда восстановления кораллов, Гарг решила использовать эпоксидную смолу для закрепления фрагментов на специально отведенном участке исследования в Национальном морском заповеднике Флорида-Кис. За два дня команда из 30 человек высадила 800 фрагментов коралла (400 живых и 400 искусственных) почти на 100 участках среды обитания, где Гарг и ее коллеги вернулись для мониторинга.
В своей будущей работе Гарг планирует изучить влияние различных процентных соотношений живых и искусственных кораллов в участках среды обитания, а также имеет ли значение конкретная область для сообществ с высоким биоразнообразием, которые живут в коралловых рифах и вокруг них.
Возможность создавать такие реалистичные, адаптируемые искусственные среды обитания позволяет исследователям и партнерским организациям двигаться к более эффективному планированию сохранения и начать находить ответы на некоторые насущные вопросы.
"Важно восстанавливать эти деградирующие из-за деятельности человека среды обитания, но в то же время нам также необходимо устранять первопричины".
Поскольку процесс практически бесконечно настраиваем, следующие шаги могут включать в себя все: от небольшого изменения формы коралла до изучения добавок, которые могут повлиять на поведение рыб, например, создание биопленочного покрытия, которое уменьшит количество водорослей, оседающих на фрагментах рифа. В конечном итоге Гарг надеется, что другие исследователи смогут использовать этот метод как инструмент для ответа на свои исследовательские вопросы.
"Это возможность проявить творческий подход. Кто знает, возможно, кто-то возьмет этот метод и сделает что-то совершенно другое, что было бы здорово".