Cerca de 100 mil milhões de formas de vida – aproximadamente o número de pessoas que alguma vez viveram na Terra – podem ser encontradas num litro de água do mar. Estes organismos microscópicos, conhecidos coletivamente como plâncton, são a base de uma cadeia alimentar global, produtores de cerca de metade do oxigênio que respiramos e super-heróis das alterações climáticas capazes de sequestrar enormes quantidades de carbono atmosférico durante milhares de anos. São também mistérios científicos, mal compreendidos devido aos elevados custos e ao financiamento errático da investigação no mar.

O bioengenheiro de Stanford, Manu Prakash, sonha em revelar a vida secreta do plâncton e aproveitar seus poderes descomunais. Ele lidera uma equipe internacional de pesquisadores que desenvolve ferramentas inovadoras e de baixo custo, como um microscópio rotativo e um processo de amostragem de plâncton fácil de usar, que capacitam cientistas cidadãos a contribuir para a nossa compreensão da saúde e da biodiversidade dos oceanos.

“O oceano é uma tecnologia que salva vidas – o coração e os pulmões da Terra – mas a nossa percepção do que ele faz é muito primitiva”, disse Prakash, professor associado de bioengenharia , que é um departamento compartilhado da Escola de Engenharia de Stanford e da Escola de Stanford. de Medicina . “Você não pode consertar o que você não entende. A observação é a ferramenta mais fundamental que os cientistas têm para a compreensão.”

Para Prakash, que cresceu na Índia e viu o oceano pela primeira vez aos 25 anos, o esforço é movido por um sentimento de admiração e imperativo existencial. Na sua primeira vez num barco, há cerca de oito anos, Prakash e os seus colegas investigadores encontraram uma faixa de plâncton bioluminescente brilhando na escuridão silenciosa do oceano aberto. “Você meio que percebe o quão pequeno você é comparado a este planeta”, disse Prakash. “Completamente livre e longe de qualquer outra civilização – nessa solidão está a beleza. Foi uma faísca que me fez pensar que este é o próximo desafio. Eu realmente tenho que entender isso.”

Para concretizar as visões de Prakash para novas ferramentas de observação, ele trouxe para seu laboratório pesquisadores que abrangem disciplinas como aprendizado de máquina, ciência da computação, mecânica dos fluidos, biologia celular, bioquímica, arquitetura, óptica, física, oceanografia e até artes visuais e tradicionais. fabricação de ferramentas. O objetivo é construir conjuntos de dados de longo prazo sobre migrações de plâncton e mapear o comportamento futuro com base nas condições oceânicas previstas. Isto, por sua vez, poderia nos ajudar a entender quais organismos estão presentes em um oceano dinâmico. Talvez o mais importante seja o facto de poder revelar o comportamento destes organismos nas atuais condições oceânicas e os seus comportamentos potenciais em condições oceânicas alteradas no futuro.

Ao longo dos anos e de muitas observações desde a primeira expedição oceânica de Prakash, o seu sentimento de admiração só aumentou. “Já vi organismos menores que um décimo do tamanho de um grão de arroz perseguirem-se uns aos outros, como se toda a savana africana se desenrolasse numa minúscula gota de água”, disse ele. “Quando multiplicamos isso pelo tamanho do oceano, começamos a perceber que não temos metodologias para compreender a complexidade nestas escalas.”

Pouco se sabe sobre a distribuição e variação do plâncton. Ao mesmo tempo, cerca de 40 por cento das pessoas na Terra vivem na costa ou perto dela, e muitas ganham a vida ou encontram recreação no mar. Prakash e uma equipa de cientistas, engenheiros, fabricantes e marinheiros de França, dos EUA e da Nova Zelândia questionaram-se sobre como aproveitar este capital humano. Assim, criaram o Planktoscópio, uma iniciativa internacional para envolver as pessoas na concepção e implementação de instrumentos de baixo custo para estudar o plâncton, e colocaram as suas descobertas em bases de dados públicas.

Em parceria com o PlanktonPlanet, outro encontro de entusiastas do plâncton, a equipa testou um processo de amostragem simples e de baixo custo, incluindo uma rede para recolher plâncton e uma bomba manual para transferi-lo para um filtro. Os cientistas cidadãos secam então as membranas dos fogões a gás dos seus barcos e enviam-nas para um laboratório para análise. Utilizando este protocolo, 20 tripulações de marinheiros cidadãos – “plânctonautas”, como os investigadores os chamavam – conseguiram construir um “conjunto de dados planetários da biodiversidade do plâncton” mostrando aos cientistas quais os organismos que estão e onde.

Os investigadores reconhecem que os planctonautas não serão capazes de recolher o tipo de dados abrangentes que os navios oceanográficos recolhem rotineiramente, e enquadram o esforço da ciência cidadã como um complemento, e não como um substituto, da investigação especializada intensiva. A implantação dos primeiros kits nos principais circuitos e rotas de navegação começou em 2023, e uma pesquisa científica cidadã contínua sobre o plâncton da superfície global está prevista para ser lançada até o final deste ano, de acordo com Prakash.

Em vez de enviar amostras para análise em um laboratório, os cientistas cidadãos poderiam fazer isso sozinhos, argumentou Prakash. Assim, juntamente com participantes de todo o mundo, o seu laboratório desenvolveu uma plataforma de imagem de código aberto que corresponde à qualidade de instrumentos comerciais muito maiores e mais caros. Chamado de PlanktoScope , é portátil e fácil de operar a partir de qualquer dispositivo habilitado para Wi-Fi. Seus componentes estão prontos para uso, são fáceis de encontrar e os materiais necessários custam menos de US$ 800 no total. Os designs usam uma estrutura cortada a laser e podem ser feitos com materiais que vão desde acrílico e plástico reciclado até madeira, metal e fibra. Um computador de placa única de código aberto controla a eletrônica e processa as imagens.

Ao longo de mais de 20 viagens oceânicas num curto período de tempo, o PlanktoScope demonstrou a sua capacidade de analisar o plâncton em condições de campo. Durante uma expedição científica de 45 dias ao Ártico, o Planktoscópio coletou dados de mais de 200 estações de campo e monitorou continuamente o plâncton em águas abertas e sob cobertura de gelo. Numa viagem marítima de dois meses, de França ao Chile, o dispositivo trouxe resultados que corresponderam a observações anteriores, mostrando que as composições do plâncton superficial são essencialmente controladas por limitações de nutrientes. A paixão de Prakash por tornar a observação científica acessível o levou a publicar instruções detalhadas de fabricação do planctoscópio no site do projeto . Centenas de pessoas em todo o mundo construíram e replicaram a ferramenta desde então.

Prakash e pesquisadores de seu laboratório distribuíram mais de 150 planctoscópios para aplicações de ciência cidadã, que vão desde o monitoramento da aquicultura costeira na Califórnia até a detecção de proliferação de algas nocivas na Indonésia. Thibaut Pollina, ex-pesquisador do laboratório de Prakash e coinventor do Planctoscópio, atualmente fabrica o dispositivo para venda a pessoas que não desejam construí-lo sozinhas.

“É uma alegria ver esta ferramenta nas mãos de pessoas que nunca conheci”, disse Prakash.

Talvez a mais revolucionária das ferramentas de observação do plâncton de Prakash seja algo que ele chama, brincando, de “máquina gravitacional”. Dado que a migração diária do plâncton entre as profundezas e a superfície do oceano pode abranger dezenas de milhares de pés e muitos dias, não existe uma forma eficaz de observar o seu desenvolvimento. Para capturar essa jornada, Prakash e pesquisadores de  seu laboratório desenvolveram um microscópio de rastreamento vertical baseado no que chamam de “esteira hidrodinâmica”. A ideia envolve uma visão simples, mas elegante: uma geometria circular fornece um anel infinito de coluna de água que pode ser usado para simular as profundezas do oceano. Os organismos injetados nesta câmara circular cheia de fluido movem-se livremente à medida que o dispositivo os rastreia e gira para acomodar seu movimento. Uma câmera alimenta imagens coloridas de alta resolução do plâncton e de outras criaturas marinhas microscópicas em um computador para controle de feedback em circuito fechado.

Com financiamento do programa Big Ideas for Oceans do Departamento de Oceanos da Stanford Doerr School of Sustainability e do  Stanford Woods Institute for the Environment, Prakash está desenvolvendo maneiras para o microscópio rotativo recriar as mudanças nas características do oceano, como intensidade da luz, pressão e água. temperatura, criando o que os pesquisadores chamam de “ambiente de realidade virtual” para células individuais.

“Vamos criar e emular todos os parâmetros que o plâncton pode perceber”, disse Prakash. “Essa é realmente a magia da tecnologia. Eu poderia programar a máquina para emular o Mediterrâneo ou o Mar de Chukchi.”

Prakash e seus colegas pesquisadores do laboratório pretendem criar versões de todas as suas ferramentas que sejam autônomas e portáteis, capazes de fazer medições a bordo de qualquer barco e disponíveis – via satélite – para que estudantes e outras pessoas ao redor do mundo possam controlá-las e analisar os dados resultantes.  Os pesquisadores estão expandindo uma biblioteca de peças que permite reconfigurar os instrumentos de muitas maneiras diferentes. Eles também estão reunindo um conjunto de dados on-line de vídeos sobre o comportamento do plâncton para mais de mil espécies diferentes, o maior conjunto de dados comportamentais para espécies aquáticas.

“Há muita ansiedade em torno do colapso dos ecossistemas”, disse Prakash. “Cada vez que estou deprimido, penso na estética e na beleza do mundo microscópico. .É muito pouco intuitivo, mas há muita esperança porque você apenas vê a abundância, você vê o quão poderosas essas pequenas criaturas realmente são."