ロボット顕微鏡が海で最も生命力のある生物プランクトンの謎を解明

まだ溶けていない惑星が好きですか？寿司は好きですか？呼吸はいかがですか？それなら、あなたは密かにプランクトンに夢中になっているはずです。プランクトンとは、海流に翻弄されて漂う小さな海洋生物です。プランクトンたちは二酸化炭素を吸収し、大気中の酸素の3分の2を供給し、やがてあなたの食卓に上がる稚魚の餌として自らを犠牲にしています。

しかし、海洋全体にわたるプランクトンの複雑な動態については、科学はほとんど解明されていません。そこで研究者たちは、AIを用いて海洋食物連鎖の基盤となる重要な生物であるプランクトンを検査・分類する賢いロボットの開発に、機械の力を借りています。地球の海洋が変化し続け、生態系に混乱をもたらす可能性がある中で、このような研究は極めて重要になります。

IBMの海洋顕微鏡を例に挙げましょう。これは、今まさにあなたのポケットの中に入っているのと同じ技術を活用しています。スマートフォンに搭載されているのと同じような画像センサーから数インチ上に、2つのLEDが設置されています。プランクトンがセンサーの上を通過すると、LEDは2つの影を落とします。「つまり、それぞれのLEDで1枚ずつ、計2枚の写真を撮ることで、画像センサー上の水滴の中にいるすべてのプランクトンの3D位置を把握できるのです」と、IBMの研究者であるトム・ジマーマンは言います。

プランクトンの画像が得られました。プランクトンには2種類あります。動物プランクトン（魚の幼生のような動物）と植物プランクトンの2種類です。植物プランクトンだけでも4,000種以上あり、かつては専門家が目で選別していました。しかし今では、研究者たちは人工知能（AI）を活用できます。IBMは、このシステムにAIを統合し、プランクトンを自動的に定量化・識別する取り組みを進めています。その構想は、長さの異なるホースを垂らした浮遊式の装置を開発し、異なる深さでプランクトン濃縮物を採取できるようにすることです。これらの顕微鏡をネットワーク化することで、異常がリアルタイムで発生すると科学者に警告を発することができます。

例えば、カイアシ類と呼ばれる動物プランクトンの不運な出来事を考えてみましょう。カイアシ類は藻類を食べますが、藻類には酔わせる毒素が含まれていることがあります。「カイアシ類にとって楽しいことだと思うかもしれませんが、そうではありません。普段はカイアシ類は捕食者に食べられないように、ランダムな方向に飛び回っているからです」とジマーマン氏は言います。「しかし、酔うとまっすぐ速く進むので、捕食者に簡単に食べられてしまいます。」

その結果、地元のコペポーダ類の個体数が激減し始め、藻類の個体数が爆発的に増加します。植物プランクトンは自らの排泄物で自らを毒化します。プランクトンは死んで毒素を放出し、それが他の生物を毒化し、腐敗する過程で水中の酸素をすべて吸い上げます。こうして、大量の生物の死骸が山積みになるのです。「これは、プランクトンの行動を観察すれば、何らかの不均衡が生じていることが分かるケースです」とジマーマン氏は言います。「こういうことは監視しなければなりません」

このシステムは現時点ではプランクトン濃度を追跡できます。しかし、特定の海域におけるプランクトン量を定量化するだけではありません。植物プランクトンを捕食する動物プランクトンのバランスや、それらの生物が個体として、そして集団としてどのように行動しているかを解明することが目的です。IBMは最終的に、酔っ払ったカイアシ類の動きなどをリアルタイムで追跡したいと考えています。現在もプランクトンのライブラリーを構築中ですが、5年以内に自然環境で使用できるデバイスシステムを構築したいと考えています。

科学者は形状も考慮する必要があります。例えば、ラッパムシと呼ばれる巨大な単細胞生物は、通常はトランペットのような形をしていますが、過剰な糖分にさらされると丸まってしまいます。「つまり、行動や形状など、AIを使えばこれらをすべて追跡し、何か問題が起きていないかを把握できるのです」と、IBMの研究者であるシモーネ・ビアンコ氏は述べています。

プランクトンをより深く理解するためにAIを活用するのはIBMが初めてではありません。「FlowCytobot」という素晴らしい名前のロボットは、桟橋に張り付いて水を吸い込み、レーザー光を通過させます。プランクトンなどの粒子はこの光を散乱させ、画像化装置を作動させます。

このシステムは、対称性など約250の特徴に基づいて画像を判断します。「その後、ユーザーが一度に数百枚の画像からなる画像トレーニングセットを作成し、手動で分類することで、ニューラルネットワークはユーザーの入力なしにプランクトンを識別できるようになります」と、FlowCytobotを製造する科学機器メーカー、マクレーン・リサーチ・ラボラトリーズの特別プロジェクトディレクター、アイボリー・エングストロム氏は述べています。

FlowCytobotは、テキサス州で藻類ブルームを研究している科学者たちに、毒素の発生などの事象を警告しますが、一箇所に固定されています。一方、モントレーベイ水族館研究所では、科学者たちがプランクトンをモニタリングするためのより移動性の高いプラットフォーム「Wave Glider」の開発に取り組んでいます。これは、太陽光発電の機器を搭載した非常に高価なサーフボードのようなものだと考えてください。

この画像には、交通機関、船舶、手漕ぎボート、ボート、カヌー、アウトリガーが含まれている可能性があります。

MBARIの研究員トム・モーガン氏は、ウェーブグライダーがプランクトンを嗅ぎ分けられるよう、独自の顕微鏡を開発しています。このデータは、MBARIの海洋学的意思決定支援システムを通じて公開されます。「ウェーブグライダーを海中に設置し、マウスをその上に移動すると、顕微鏡が捉えている微生物のサイズ分布がおおよそ分かります」とモーガン氏は言います。「その後、さらに詳しく観察し、どのような種類の生物が特定されているかを確認できるようになるはずです。」

こうした自動化は、単に利便性のためだけではなく、必要性から生まれたものです。「プランクトンを識別できる人は稀になってきています」とモーガン氏は言います。「そういう人は、昔ながらの伝統的な微生物学者です。どうやら、プランクトンの世界を本当に深く理解している人々は、ますます少なくなってきているようです。」

海が急速に変化を遂げている今、科学はこの知識を失うわけにはいきません。プランクトンは非常に重要でありながら、いまだに謎に満ちています。しかし、この不可解な海の王国を解明するには、機械の力に委ねるべきです。

海洋ロボットのさらなる発展