她们长得像毛笔笔帽，还有一对“翼足”，似乎非常可爱，但可爱的她们却会让海滨的核电站非常紧张。
大家好，我是李剑平，欢迎大家跟我一起进入水下的微观世界。朋友们都知道，海洋是生命的摇篮，即使一滴海水也孕育着生命。这组浮游植物照片，是十年前我用显微镜记录下的。在显微镜的放大下，这些微小的生命展现出了令我神往的形态、结构、色彩和泳姿。简直就是一个个小小的精灵！
后来我才知道，她们只不过是浮游生物大家族中体长在2-20微米之间的甲藻和硅藻。生物学家将她们归为微型浮游生物，海水中还有比她们还小或更大的浮游生物。按照体型大小，生物学家将她们划分为超微型、微型、小型、中型、大型和巨型。从绝对数量上来说，海洋中越小的浮游生物数量越庞大，体型越大的浮游生物数量越稀少。
很多朋友都知道，地球表面70.8%的面积被海水覆盖，平均水深达到约4000米，因此被称为“水球”。这是一个巨大的空间！假如1毫升海水中有1只绿色圆圈框选的桡足类浮游动物，则其总量就达到了4x10的21次方个。换算成生物量，大约是人类的500倍。而桡足只不过是无数种浮游生物中的一类而已。地球其实是一个名副其实的浮游生物星球！
这么多的浮游生物构成了海洋生态系统的基础，时刻通过生物地球化学作用改变着地球的面貌，影响着人类文明的进程。举几个非常有趣的例子。首先，我们此时此刻呼吸的每一口空气当中的氧气，有50%都是海洋当中的浮游植物通过光合作用贡献出来的。其次，当我们大快朵颐，享受鱼、虾、蟹、贝这些海鲜美食的时候，你可曾想过，它们可都是吃着浮游生物长大的，而且它们自己小时候也是浮游生物。
另外，浮游植物比高等植物早约30亿年出现，因此比高等植物早30亿年开始为我们贡献化石能源。还有，具备坚硬外壳的浮游生物通过沉积，还为我们人类贡献了丰富的建筑材料。从埃及金字塔到古罗马剧场，都离不开用浮游生物沉积形成的建材砌成。
浮游生物还以巧夺天工的形态给我们以艺术的启迪。早在19世纪的维多利亚时代，欧洲的皇室就以设计这种硅藻显微摆图，为一种彰显贵族地位的风尚。今天，它们还被制作成各种摆件、雕塑和日用品，丰富着我们的精神生活。
除了艺术领域，浮游生物还带给我们科学的启发。例如，视频中是一只可以在水下隐身的叶水蚤。在不同光照下，它们能够展现出不同的体色。通过对其肢体结构的深入研究，科学家们揭示了其中的奥秘，发现这源自它们可以控制机体的微观光子晶体结构，从而展现出奇异的光学效应。
小精灵们也有阴暗的一面，也会给我们的生活生产带来负面效应。其中最臭名昭著的就是有害赤潮！大家看下，当海上发生赤潮时，海水可以变成砖红色。这是由于海水中诸如红色赤潮藻和夜光藻等浮游生物，在短时间内大量增殖聚集造成的。赤潮会导致水产品窒息或中毒死亡。2012年，福建省养殖的鲍鱼就曾因米氏凯伦藻暴发而大量死亡，几天内损失超2亿元。更可怕的是，还会造成人人类食物中毒死亡，因此十分危险。
体型更大的浮游生物也会暴发，造成另外一类生态灾害。例如，水母的暴发就有可能堵塞核电站的海水取水口，造成核反应堆制冷安全受到重大威胁。而一次核电机组的降功率或停堆，都能轻松造成上亿元的损失。
讲到这里，大家也许对我们为何要观测海洋浮游生物有了答案。那么对浮游生物的观测，具体任务是什么呢？这包括对它们的物种种类、数量丰度、时空分布、生理状态和相互作用的了解。类似人口普查，我们通过观测，也希望对一个海区、一段时期甚至全球的浮游生物进行“浮游”普查！
观测浮游生物最直观、最常用的方法就是借助显微镜，用人类的视觉直接观测。
在这种方法中，首先要利用一些专业的瓶子或者网，把海洋中活的浮游生物捕捞上来。对样品进行前处理之后，人工作用显微镜对物种实施鉴定、计数、测量等统计。虽然浮游生物的游动能力不强，但在显微镜狭小的视野下，它们游动时，我们也很难看清或者拍好它们的倩影。因此，浮游生物学家会通常用甲醛、酒精等化学试剂把它们杀死，这个过程叫做化学固定。所以我们实际上在显微镜下看到的是浮游生物的尸体。
化学固定的过程会导致浮游生物失去原来身体的颜色，甚至断头、断脚。而近距离操作显微镜时，操作人员的鼻子离样品很近，有害物质的挥发对操作者的健康也存在伤害。因此，愿意从事这样工作的人变得越来越少，大家都不愿意去做这样费力不讨好的事情。那何不把显微镜搬下水，直接在海水里给浮游生物拍照呢？
其实不少科学家也想到了这个主意，以多种形式把显微镜搬下了水，学术上称之为原位观测，也就是在浮游生物原来生活的位置上，在最为自然的状态下，对其实施抓拍。
例如，自上世纪90年代始，美国的科学家就发明了可以被船只拖曳工作的水下显微镜，以扩大在水平方向上对浮游生物观测的覆盖范围；法国的科学家发明了可以用船上绞车吊放的水下显微镜，以帮助人们了解浮游生物及颗粒物在海水垂直剖面的分布情况；美国的科学家还发明了固定在海底框架和码头桩基上的水下显微镜，可以对周边的浮游生物随时间变化情况，实施长期连续观测。
最近，美国科学家还把显微镜做到了水下滑翔机上，可以由这种新型的水下自主航行器带着显微镜，对更大空间范围内的浮游生物实施移动观测。
这些水下显微镜普遍配备了数字相机和水下补光灯，通过设定一个非常快的快门速度去抓拍浮游生物，以避免图像模糊。随着光电技术和光电器件三十年来的发展，我们可以直观地感受到水下显微镜的成像质量在不断地提高。
当然，把显微镜放到海洋环境里面，必然面临着非常多的挑战，包括供电、密封、海水腐蚀、数据传输等，还有最麻烦的生物附着。自2017年到2021年，我们的团队在国家重点研发计划“海洋环境安全保障”专项的支持下，做了一台可以在浮标下边长期工作的水下显微镜。
什么是浮标？视频中就是一个直径3米的海洋浮标，大家可以把它理解为一块漂浮在海面上的大泡沫塑料，下边通过锚链固定在海洋底部，防止漂走或者被台风卷走。
它的“肚子”里有很多块蓄电池，可以为浮标上的仪器供电。在浮标的四周可以看到一个个的孔，叫做仪器井，像一口井一样通向水下。显微镜固定在这样的孔里，直接浸没在海水里进行观测。浮标上还配备了手机网络或卫星通讯模块，可以把仪器采集的数据以无线方式发送到陆地集中处理，从而达到海洋监测目的。
我们的硬件团队在实验室用的暗场显微镜原理基础上，研发设计了一款专门在浮标下工作的水下暗场成像仪Imaging Plankton Probe，简称IPP。
IPP呈一个圆柱形，一方面是有利于仪器在水下密封耐压，另外一方面方便固定在浮标仪器井内。IPP的内部设计中做了非常多的硬件创新。
首先它采用了远心光学成像系统，避免了普通镜头成像时的近大远小缺陷，可以对浮游生物的尺寸进行更准确的测量；其次，水下暗场成像仪的镜头朝向海面以下，避免了白天日光对成像产生的影响，得到的图像会有非常高的对比度；还有采用了360°环形的照明灯，避免了被摄目标产生阴影；此外，我们还采取了很多抗生物附着的措施，保证仪器在水下长期工作时不会被海蛎子等生物附着影响。
应用了以上的一些技术之后，IPP就能够在海水里得到高质量的图像了。图中这只小鱼很形象地展示了IPP在光学上的优势和特色。IPP内部还有一台名片大小的计算机，可以将采集的1200万像素原始大图直接选取目标进行剪裁，再进一步通过jpeg压缩，最终将需要存储和传输的数据量缩减至原来的不到1%，这样就可以很好地适应近海无线传输的流量和带宽限制了。
我们将以上设计研制成了第一代IPP样机，在深圳大亚湾海域的鱼排下开始了多次海试。通过四次海试，我们就累计得到了上百万张各类浮游生物的优质图像，为后续的软件团队开发算法储备了数据。
那么多图像，总不能靠人去一张张地数、一张张地认吧。是不是可以利用AI来帮助我们自动完成识别和统计？所以除了硬件团队，我们还有一支精干的软件团队在开发人工智能算法。
大家可能也听说过，人工智能有一个不好的地方：先费人工，后实现智能。这是因为目前以深度学习卷积神经网络为代表的AI技术，普遍需要大量优质数据来训练。我们的软件团队应用了一种叫做主动学习的策略，简言之，就是让人和机器互相帮助，让不熟悉浮游生物鉴定的学生和专家互助，通过迭代优化的方式训练AI。与此同时，也逐步构建起优质的浮游生物图像数据库。
这是我们构建的中国第一个海洋中大型浮游生物原位图像数据库DYB-PlanktonNet，它有接近5万张图像，涵盖了超过90类浮游生物和颗粒物的图像。有了非常优质的数据之后，就可以去训练AI了。
下面，我们利用一个小程序来展示我们早期训练的AI达到的识别效果。在这段视频里，我们首先导入12张有待识别的图像，AI可以在瞬间完成对它们的识别。
接下来我们可以逐张地检查识别的结果：左边这张图像就是待识别的，右边是AI从图像库里调取的它认为置信度最高的识别图像结果。对比之后，大部分的结果都是正确的。当我们发现AI识别错误的时候，就可以纠正，那么下一次它的识别率就会提高。做错题了没关系，搞清楚原因，自然会做得越来越好。
除此之外，我们还利用这些数据开发了一系列非常有趣且有价值的AI算法。第一个叫做超分辨率算法。简单来说，我们拉大一张小图像时会产生马赛克，那么AI可以帮助我们“脑补”这些马赛克之间的信息，使得放大的图像依然清晰。
第二种叫做景深拓展算法，也就是俗称的“先拍照，后聚焦”。IPP聚不好焦没关系，AI可以帮助我们把离焦模糊的图像复原成清晰图像，以利于后续人类和机器的精准识别。
第三个是灰度图像着色算法，AI可以帮助我们把浮游生物的灰度图像还原成它们原本天然的颜色，有点像给老照片上色。但和普通的老照片上色是不一样的，因为我们追求的着色是要恢复浮游生物的真实颜色；而老照片上色只是需要做到看上去合理就可以了。这种要求的不同导致了算法开发难度上的巨大不同。
有了硬件，也有了软件，我们把两条战线上的技术双剑合璧，将IPP部署在了浮标上。从左到右：标体下水；仪器集成；船只拖放；浮标就位。图片展示了从浮标下水、仪器集成，船只把浮标拖放到指定的位置，到最后运行的全过程。
从2020年的6月到2020年的年底，我们实现了在海洋原位的条件下的长期连续观测。有了IPP和AI技术，我们就可以得到一些代表性的浮游生物物种的长期动态变化的精细信息，这就是我们科学家最终需要的数据。我们把IPP设置成在水下工作的时候每秒钟拍3张照片。如此一来，采样频率是非常高的。有了那么高的时间分辨率，我们非常容易地观测到了浮游生物的昼夜垂直迁徙现象。
昼夜垂直迁徙是指很多浮游动物的一种行为。可能的原因是她们晚上游到海洋表面进食浮游植物，白天沉到深水躲避天敌和阳光伤害。大家可能都知道非洲草原上有角马或水牛的大迁徙。可是大家不一定知道，在咱们这个星球上最大规模的动物迁徙，实际上是海洋中浮游动物的昼夜垂直迁徙。有了IPP这样的原位观测技术，我们随便截取一周的数据分析，就可以轻松观测到这一现象。
在浮标海试期间，我们还抓住了大亚湾海域一次著名的尖笔帽螺暴发事件。视频中可以看到水面上有非常多生物在快速地游动和聚集，IPP在水下非常清晰地抓拍到了它们各种各样的泳姿。实际上，它们是一种长得像毛笔笔帽形状的螺。它们看起来非常“可爱”，有一对“翼足”，可以游得很快。但是可爱的它们却会导致附近的核电站非常紧张！
经IPP数据统计，当时尖笔帽螺的丰度达到了每立方米近3500只水平，岭澳核电站为此把其中一台核电机组的功率降低到了80%。在后续更多海域的观测当中，我们陆续地看到了多种可能会导致核电站冷源取水堵塞的致灾生物。除了尖笔帽螺，还有束毛藻、球形棕囊藻、夜光藻、毛虾、球形侧腕水母等，我们管它们叫做“六魁首”。
我们把这六大致灾生物的图像都加入到了数据库里，使IPP对它们具有监测能力，会对未来的核电安全监测有很大帮助。
我们还记录到了一些平时用网采和瓶采难以发现的浮游生物“寄生虫”。图中的鱼虱是一种桡足类生物，它们会趴在鱼类的腮上，吸食宿主的体液，严重时可以导致鱼类窒息而死。这种怪水蚤吸食了宿主的体液，呈现出了一种罕见的翠绿色。这一排是等足目的水虱，最右边这只会趴在幼年海参的皮肤表面啃咬，导致海参皮肤溃疡，会造成海参养殖的大量减产，可谓渔业养殖圈里的害虫。因此对它们的监测很有意义。
原位监测还非常容易捕捉到一些浮游生物的行为，比如上面的三张图就是箭虾对桡足的摄食行为。因为箭虾的身体极为透明，所以刚吃下去的桡足还清晰可见。箭虾属于毛颚类的浮游生物，头部有一些像大牙齿一样的结构，可以把生物抓住，生吞活剥的场面，非常凶猛。
在所有原位拍到的浮游生物中，我觉得最有趣的、最想跟大家分享的当属住囊虫了。住囊虫长得很像蝌蚪，只有一两个毫米这么大。它有一个脑袋，还有一条可以摆动的尾巴。
住囊虫是一个建筑师，会为自己造一所房子，这四张图都是它造的房子。这是用计算机模拟它房子的三维结构。它造的房子可精巧了，不但有进出口，还有一套非常复杂的过滤系统，有前置过滤器和主过滤器。它们通过尾巴划水，让海水进入和流过房子，来滤食海水中那些非常微小的有机颗粒，再排到房子之外。这个房子还有鳍，住囊虫可以带着房子去旅行。因此，我说她们很“富有”。
她们甚至还给自己安排了一条逃生通道，当遇到惊扰的时候，住囊虫可以瞬间抛弃房子。这是不是很浪费呢？也不是。一只住囊虫平均三个小时就会为自己造一所房子。因为它之前房子的过滤器可能被堵满了，所以要抛弃掉。一只住囊虫一天可以过滤大约300毫升海水，跟小瓶的矿泉水差不多。在观测中，我们发现在中国东南沿岸的很多海域里都有大量的住囊虫。
大家可以想象一下，那么多的住囊虫一起在过滤，对海洋里的有机颗粒碳循环将起着多么大的调节作用啊。
可是她们的房子是由一些黏液构成的，就像擤了一滩鼻涕放到水里边。所以用传统的方法很难抓到，不仅会把它们的房子直接搞碎，它们也会逃跑。因此，科学家们可能大大低估了住囊虫对海洋生态系统的影响和贡献，原因就在于此前缺少比较合适的观测手段。
2022年，我们在发表的论文中选取了部分刚才提到的海洋浮游生物原位图像PS成了这张图，形象地展现了原位成像的技术优势。
今天，我们生活在一个万物互联的时代。联网络，意味着我们的监测可以覆盖更大时空范围，意味着更多的海洋利益相关者可以互助共赢。我们正在把这样的想法变成现实。
在中国科学院和澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的支持下，我们的团队正在联合国内外多家涉海大学、研究所、政府部门、企业和公益组织执行一个叫做“爱·浮游”的国际合作项目。我们希望在中国和澳大利亚两国不同的海域，部署多台IPP，通过物联网技术把它们连接起来，借助人工智能算法，对浮游生物开展更全面的观测。我们跟厦门大学的团队和东山站的团队一起，把IPP部署在了中国珊瑚分布最北端——福建的东山。
在福建的平潭，我们同自然资源部第三海洋研究所和海岛中心团队一起，将IPP部署于浮标和渔排下，对造成平潭“蓝眼泪”的夜光藻赤潮进行监测。在广东大湾区的深圳，我们在海洋公益组织潜爱的帮助下，在室内利用IPP尝试了对珊瑚卵原位监测的可行性。在2023年5月9日的一个月圆之夜，我们成功拍摄到了霜鹿角珊瑚产出的卵，它们只有几百微米大。
不久的将来，我们将把IPP部署到深圳的相关海域（事实上李剑平团队已于2024年1月28日将IPP部署于深圳大鹏湾海域“合作者号”浮标下）。为了发展海洋仪器，我们的团队在过去的七年里付出了非常多的艰辛。海洋原位仪器的发展依然充满了挑战，但是我们团队愿意去做这样的事情。
因为我们深深地懂得，发展海洋仪器能够帮助人类了解更多的未知，可以帮助我们的国家去发展海洋科技，能够让更多的专业交叉融合起来，为海洋强国战略贡献一份力量，也为未来培养储备更多的人才。最后彩蛋，浮游生物也有“大家伙”哦！谢谢大家！