Fytoplankton vormt de basis van de mariene voedselketen, maar is voor wetenschappers notoir moeilijk te verklaren - een beetje zoals proberen stofdeeltjes in de lucht te identificeren en te tellen. Een echt onafhankelijk onderwatervoertuig laat zien dat het de klus kan klaren.

Trygve Olav Fossum keek naar een sinaasappel, torpedovormig instrument glijdt van de R/V Gunnerus en ploft in de kustwateren bij het eiland Runde. Het was juni 2017 en Fossum, een promovendus aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU), maakte deel uit van een team van onderzoekers die antwoorden probeerden te vinden op een vervelend probleem.

Rund, een driehoekig eiland voor de midden-Noorse kust, staat bekend om zijn grote zeevogelpopulaties, waaronder Atlantische papegaaiduikers en Jan-van-gent.

In recente jaren, het aantal vogels hier en in een groot deel van de Noord-Atlantische Oceaan is snel gedaald. Niemand weet precies waarom.

Als eerste stap in hun zoektocht naar aanwijzingen, NTNU-onderzoekers hadden een interdisciplinair team van geologen samengesteld, biologen, wiskundigen, computerwetenschappers en ingenieurs, zoals Fossum, wiens twee meter lange autonome onderwatervoertuig (AUV) zou bijdragen aan een van de meest ongewone stukjes informatie over het onderzoek van de Gunnerus dat een week duurde.

Fossum's AUV, vernoemd naar de Noorse oceanograaf Harald Sverdrup, zou informatie verzamelen waarmee wetenschappers een 3D-kaart van hotspots van fytoplankton konden maken. Dit zijn de kleine eencellige algencellen aan de basis van de voedselketen. Door hun microscopisch kleine formaat en de neiging om in stukjes te verzamelen, is het voor biologen in het verleden bijna onmogelijk gemaakt om deze informatie te verzamelen.

De AUV was geprogrammeerd om onderweg te denken - "zien" waar het fytoplankton was, zijn eigen koers kiezen om in te zoomen op patches in een gebied om een ​​beter voorbeeld te krijgen. Wetenschappers noemen dit 'adaptieve bemonstering'. De 3D-kaarten, beurtelings, zou belangrijke aanwijzingen kunnen geven waarom de vogelpopulaties rond Runde kelderden.

Zoöplankton eet fytoplankton. Kleine vissen eten zoöplankton. Grotere vissen eten de kleinere vissen. Eindelijk, zeevogels zoals papegaaiduikers smullen van deze stukken vis. Als iets de hoeveelheden of distributie van fytoplankton veranderde, het zou een kettingreactie kunnen veroorzaken die de vogels zou kunnen beïnvloeden.

Het hebben van een slimme AUV die kan worden geprogrammeerd om fytoplankton-patches te zoeken "is een complete game-changer, " zegt Geir Johnsen, een NTNU-bioloog werkt mee aan het project. De resultaten van Haralds toer in de wateren bij Runde werden onlangs gerapporteerd in Wetenschap Robotica .

Grote gebieden van onbekende, en geconcentreerde plekken van vruchtbaarheid

Mariene biologen staan ​​voor een fundamenteel probleem. De oceaan is diep, breed en over het algemeen slecht begrepen. Sommige gebieden zijn interessanter dan andere, vooral de kleine geconcentreerde gebieden die wemelen van het leven, zoals kustwateren of de plaatsen waar stromingen samenkomen. Om hun werk te doen, biologen moeten begrijpen welke factoren sommige stukken oceaan vruchtbaar maken en andere niet.

Biologen beschrijven deze situatie als, goed, "vlekkerigheid, " zei Fossum. De fragmentatie van fytoplankton is gerelateerd aan een aantal verschillende biofysische interacties, zoals stromingen, turbulentie en menging, en biologische processen, zoals hoeveel andere wezens het fytoplankton eten.

"Dat betekent dat het een heel moeilijke vraag is om erachter te komen wat de fragmentatie van deze organismen in de oceaan regelt, ' zei Fossum.

Zelfs als je op een plek bent die bekend staat als een hotspot, vlekkerigheid kan het moeilijk maken om mariene organismen in het gebied nauwkeurig te kwantificeren, vooral als u monsters neemt vanaf een onderzoeksboot, zegt Glaucia Fragoso, een postdoc bij de afdeling Biologie van NTNU die op cruise was met Fossum.

"Als we onze sampler op de verkeerde plek laten vallen, we kunnen het aantal fytoplankton onderbemonsteren en onderschatten, "zei ze. "Of als we onze sampler midden in een veld laten vallen, we kunnen overschatten."

Waarom patches zijn waar ze zijn

Dat maakt de adaptieve bemonstering van Harald, de AUV, zo uniek, zei Fragoso. Gezien een gebied om te verkennen, het kan een 3D-kaart maken van fytoplankton-patches. En door te weten waar patches zijn, kunnen wetenschappers andere kenmerken van dat gebied bestuderen, zodat ze beter begrijpen waarom de patches zijn waar ze zijn.

"Is de (fytoplankton)concentratie daar vanwege het zoutgehalte?" zei Fossum. "Misschien is het fytoplankton geconcentreerd langs een temperatuur- of zoutlaag, of misschien is er een ander fysiek effect waardoor ze blijven waar ze zijn?"

Weten waar en waarom fytoplankton op verschillende manieren aggregeert en clustert, kan helpen bij het beantwoorden van vragen over wezens die voor voedsel afhankelijk zijn van de oceaan. zoals de zeevogels bij Runde.

Zeevogels nestelen doorgaans in gebieden waar ze gemakkelijk toegang hebben tot voedsel, omdat ze zichzelf en hun kuikens moeten voeden, te. Dus uitzoeken hoeveel fytoplankton er is en waar ze zijn, in combinatie met andere metingen, kan helpen bij het verklaren van grotere trends in zeevogelpopulaties.

Adaptieve bemonstering voor meer details

Harald was geprogrammeerd met een geavanceerd brein en uitgerust met een speciaal meetapparaat genaamd een ECOpuck, genesteld in zijn achterkant. Toen Fossum het die junidag in het water losliet, Harald zou door de diepten van de oceaan zwerven in een gebied dat wordt begrensd door een doos van 700 x 700 meter, informatie verzamelen om een ​​3D-kaart van fytoplankton te maken.

De ECOpuck meet het fytoplankton niet zelf, maar iets dat chlorofyl een fluorescentie wordt genoemd. Fytoplankton gebruikt chlorofyl a pigmenten in het proces van fotosynthese, en de stof fluoresceert rood bij blootstelling aan licht. De ECOpuck detecteert de fluorescentie, die kan aangeven hoeveel fytoplanktonbiomassa er in het water zit.

Aan het begin van de reis van de AUV, het neemt metingen aan de zijkanten van de doos en zoomt vervolgens geleidelijk in op het gebied dat wordt omlijnd door de doos terwijl het het gebied detecteert dat de meeste chlorofyl a lijkt te hebben, zegt Fossum.

"Het dozen in een hoeveelheid water en op basis van wat het ziet, het schat wat erin zit, " zei hij. "Dan plant het een route voor binnen en maakt een kaart van de meest interessante regio. Wat ik hier echt van wil, is een nauwkeurige kaart, met de nauwkeurigheid waar het het meest nodig is - waar de plankton-aggregatie hoog is."

De onderzoekers vertrouwden ook op andere bemonsteringsmethoden om nog meer informatie te verzamelen over plankton rond Runde, inclusief een speciale camera die foto's maakte van individueel plankton, en automatisch geteld en geïdentificeerd om de resultaten van de AUV te helpen verifiëren.

Een toekomst voor schepen en AUV's

Ondanks het succes van de AUV, Fossum en anderen leggen uit dat biologen nog steeds informatie uit andere bronnen moeten verzamelen, zoals onderzoekscruises aan boord van de R/V Gunnerus.

"Oceanografie evolueert naar gecombineerde inspanningen om gegevens te verzamelen, waar robotbemonstering een essentieel onderdeel is, het bieden van mogelijkheden en resolutie die voorheen onbereikbaar waren met traditionele methoden, Fossum zei. "Het uiteindelijke doel is om de impact van klimaatverandering op het ecosysteem effectief te meten, bijvoorbeeld."

Fossum zegt dat er behoefte is aan veel hardnekkiger toezicht op de Noorse kusten, beschermde mariene gebieden, en kwetsbare leefgebieden.

"Het doel is om uiteindelijk veel meer van dit werk te automatiseren, maar het is niet onze bedoeling om schepen te vervangen, ze zijn nog steeds van vitaal belang in dit streven, " hij zei.

Het mysterie blijft

Van haar kant, Fragoso ziet de waarde van het hebben van een AUV zoals Harald om te helpen bepalen waar zij en andere biologen meer gedetailleerde bemonstering zouden moeten uitvoeren.

"Fytoplankton is gewoon niet gemakkelijk te bemonsteren omdat ze constant reageren op een steeds veranderende omgeving, " zei ze. "Dit geeft ons veel aanvullende informatie over hoe fytoplankton in de waterkolom voorkomt. En hoe meer informatie we hebben, des te beter."

Wat betreft het mysterie van de vogels op Runde, Fossum en Johnsen zeggen dat wetenschappers meer onderzoek moeten doen over een langere periode. Bijvoorbeeld, de timing van de voedselbeschikbaarheid is erg belangrijk voor zowel vissen als vogels.

"Vogels moeten voedsel vinden, vooral wanneer hun kuikens uitkomen, en de vissen moeten de juiste soort en grootte hebben voor zeevogels om te overleven, " zegt Johnsen. "Klimaatverandering en vervuiling veranderen nu snel de omstandigheden in het mariene ecosysteem, en we moeten meer weten."

"We hebben een momentopname gemaakt van dat gebied, die ons iets vertelt over het huidige ecosysteem van die tijd, " voegde Fossum toe. "Maar we zullen terug moeten gaan en nog een momentopname moeten maken om veranderingen te detecteren en mogelijke oorzaken te identificeren om iets te zeggen over waarom de vogels achteruitgaan."