Levätutkimusta robotiikan ja tekoälyn avulla

Levätutkimusta robotiikan ja tekoälyn avulla

Teksti ja kuvat: Kaisa Kraft

Perinteisesti merentutkimukseen kuuluu kesäaikana vietetyt pitkät päivät merellä näytteitä keräten, mutta nykyteknologia on tuonut siihenkin muutoksen. Merentutkimusta tehdään paljon edelleen perinteisin menetelmin eli niin sanotusti ”käsipelillä”, mutta erilaisten automaattisten ja jatkuvatoimisten mittalaitteiden käyttö on lisääntynyt teknologian ja sovellutusten kehittyessä.

Nykyisin monen meribiologin kesä kuluukin ennemmin laitteiden kanssa tutkimusmökissä tai päätteen ääressä kuin itse merellä. Jatkuvatoimisten laitteiden hyöty suhteessa perinteisiin menetelmiin on suuri, sillä aineistoa pystytään tuottamaan huomattavasti enemmän ja tiheämmällä aikajänteellä. Levätutkimuksessa eli kasviplanktontutkimuksessa näytteiden aikavälin tihentämisestä on erityisen suuri hyöty. Kasviplanktonsolujen elinkierto kestää vain puolesta päivästä kahteen päivään, joten ympäristövasteiden vaikutus yhteisöön jää huomaamatta, ellei näytteenottoväliä saa tihennettyä alle solujen uusiutumis-ajan. Jatkuvasti mittaavat laitteistot siis tarjoavat mahdollisuuden löytää ja tarkastella nopeita muutoksia, joita ei aikaisemman kaltaisella tutkimuksella ole pystytty havainnoimaan. Ei ole kovin helppoa löytää niin intohimoisesti tutkimukseen suhtautuvaa tutkijaa, joka keräisi näytteitä vaikkapa kolmen kuukauden ajan noin kahdenkymmenen minuutin välein ilman avustavaa teknologiaa. Uusien mittalaitteiden avulla muutoksia veden laadussa tai biologisessa yhteisössä pystytään havainnoimaan sekä reaaliaikaisesti että ennen näkemättömällä tarkkuudella.

Tänäkin kesänä Itämerellä voimakkaita kukintoja muodostanut sinilevä Aphanizomenon flos-aquae, Imaging FlowCytobot laitteella kuvattuna

Erilaisten kemiallisten ja fysikaalisten merimittausten tekemiseen jatkuvatoimisia mittalaitteita on käytetty jo vuosikymmeniä, sen sijaan meribiologiset havainnointilaitteet ovat vielä hieman harvemmassa. Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) merikeskuksen kasviplanktontutkimukseen käytettävä Imaging FlowCytobot (IFCB) edustaa uuden ajan biologisia jatkuvatoimisia mittalaiteita. IFCB on läpivirtausteknologiaan perustuva kasviplanktonista kuvia ottava robottilaite, joka pystyy operoimaan itsenäisesti useita kuukausia tutkijan ohjatessa sitä tarvittaessa etäyhteyden kautta. Laite ottaa mittauspaikalta vesinäytteitä noin kahdenkymmenen minuutin välein ja tuottaa muutaman millilitran vesinäytteestä tuhansia kasviplanktonsolujen kuvia. Kuvat analysoidaan hahmontunnistusalgoritmien avulla. Tutkija opettaa algoritmille kasviplanktonlajistoa, minkä jälkeen algoritmi hoitaa kuvien luokittelun ja tutkijan työksi jää laadun varmistaminen ja aineiston jatkokäsittely.

Myös runsaasti kesällä kukintoja Itämerellä muodostanut sinilevälaji Dolichospermum sp. Imaging FlowCytobot laitteella kuvattuna

Ihminen on toiminnallaan jo pitkään muokannut lähiympäristöään, sekä viime vuosisatoina myös koko maapallon ilmastoa. Muutoksia on jo havaittu ja ennustuksia sekä skenaarioita tulevasta esitetty. Ennusteet usein kuitenkin perustuvat olettamuksiin ja yleistyksiin, sillä ne pohjautuvat biologisessa mittakaavassa harvahkon näytteenoton tuottamaan tietoon. Monia meribiologian prosesseja ei vielä tunnetakaan kovin tarkasti ja IFCB:n avulla tehtävän tutkimuksen toivotaan kasviplanktonin osalta auttavan siinä. Laite on ottanut näytteitä kevät-kesäkauden 2017 SYKEn ja Ilmatieteenlaitoksen yhteisellä Utön merentutkimusasemalla ja väitöskirjatyössäni jatkan aineiston keruuta vuoden 2018 aikana. Laitteen tuottamaa aineistoa verrataan lukuisiin muihin tutkimusaseman tuottamiin jatkuvatoimisiin mittauksiin, minkä avulla etsitään tärkeimpiä kasviplanktonyhteisöä muokkaavia ympäristötekijöitä.

Tyypillisesti keväisin kukintoja Itämerellä muodostava panssarisiimalevä Peridiniella catenata, Imaging FlowCytobot laitteella kuvattuna

Tutkimuksessa pyritään löytämään uusia syy-yhteyksiä kasviplankton-yhteisödynamiikan ja fysikaalis-kemiallisten muuttujien välillä. Löydökset voisivat antaa viitteitä siitä, miten Itämeren kasviplanktonyhteisö tulee muovautumaan muuttuvan ilmaston myötä. Tarkoitus on tarkastella mitä esimerkiksi Itämeren sinileväkukinnoille voisi tapahtua veden lämpötilojen noustessa, suolapitoisuuden laskiessa ja valaistusolosuhteiden muuttuessa. Mahdollisten syy-yhteyksien linkkiä on tarkoitus testata laitteen avulla myös laboratorio-olosuhteissa ja asioiden valottamiseksi tutkimuksen aikana tullaan osallistumaan myös luonnonolosuhteissa tehtäviin kokeisiin. Laitteen tuottamaa aineistoa hyödynnetään myös muulla tavoin, kuten SYKEn tuottamissa levätiedotteissa.

 

Kaisa Kraft tekee väitöskirjaa Suomen ympäristökeskuksen Merikeskuksessa tarkoituksenaan löytää uusia, muuttuvan ilmaston myötä merkitsevästi Itämeren kasviplanktonyhteisöä muokkaavia tekijöitä. Tiina ja Antti Herlinin säätiö rahoittaa hänen väitöskirjatutkimustaan.

1078