Satellietbeelden van fytoplanktonbloei op het oppervlak van de oceaan verblinden vaak met hun diverse kleuren, tinten en vormen. Maar fytoplankton is meer dan alleen de aquarellen van de natuur:ze spelen een sleutelrol in het klimaat op aarde door het warmtevasthoudende koolstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen door middel van fotosynthese.

Maar een gedetailleerd verslag van wat er van die koolstof wordt - hoeveel ervan gaat waar in de aarde en voor hoe lang - houdt wetenschappers al tientallen jaren bezig. Dus terwijl NASA's aardobservatiesatellieten de verspreiding en locatie van deze organismen kunnen detecteren, de precieze implicaties van hun cycli van leven en dood op het klimaat zijn nog onbekend.

Om die vragen te beantwoorden, deze week vaart een groot multidisciplinair team van wetenschappers 200 mijl ten westen van Seattle naar de noordoostelijke Stille Oceaan met geavanceerde onderwaterrobotica en andere instrumenten tijdens een campagne van een maand om de geheime levens van deze plantachtige organismen en de dieren die ze eten te onderzoeken.

NASA en de National Science Foundation financieren de oceanografische campagne Export Processes in the Ocean van Remote Sensing (EXPORTS). Met meer dan 100 wetenschappers en bemanning van bijna 30 onderzoeksinstellingen, EXPORT is de eerste gecoördineerde multidisciplinaire wetenschapscampagne in zijn soort om de paden te bestuderen, lot en koolstofcycluseffecten van microscopisch en ander plankton met behulp van twee onderzoeksvaartuigen, een reeks onderwaterrobotplatforms en satellietbeelden. Het team zal werken vanaf de onderzoeksschepen (R/V) Roger Revelle en Sally Ride, beheerd door de Scripps Institution of Oceanography, Universiteit van Californië, San Diego.

"De voortdurende verkenning van de oceaan, zijn ecosystemen en hun controle op de koolstofcyclus, zoals waargenomen met geavanceerde technologieën door EXPORT, zullen ongekende beelden van de onzichtbare wereld van de aarde bieden, " zei Paula Bontempi, EXPORT-programmawetenschapper op het NASA-hoofdkwartier, Washington. "De wetenschappelijke vragen die het team aanpakt, verleggen de grenzen van wat NASA kan doen in zowel afgelegen als in situ optisch oceaanonderzoek. NASA's doel is om de biologische en biogeochemische oceaanprocessen te koppelen aan informatie van geplande oceaanobservatie-satellietmissies, dus extrapoleren van de resultaten van deze missie naar wereldwijde schaal."

De uitdaging die EXPORTS aangaat, vereist een uiterst multidisciplinair team van experts. "Ik ben onder de indruk dat we in staat zijn geweest om een ​​team van echte leiders in hun individuele vakgebieden samen te brengen met als enig doel de interacties tussen het leven in de zee en de koolstofcyclus van de oceaan te begrijpen, " zei David Siegel, hoogleraar mariene wetenschappen aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, en EXPORT wetenschap leiden. "Het team heeft een ongekende diversiteit aan expertise, inclusief natuurkundigen, ecologen, geochemici, numerieke modelbouwers, en genomica, robotica en remote-sensing wetenschappers."

Het woord "fytoplankton" komt van het Grieks voor "plantenzwervers"; fytoplankton maakt gebruik van de energie van de zon om opgeloste anorganische koolstof in de oceaan om te zetten in organische koolstof - koolhydraten en celmateriaal creërend voor voeding en reproductie - en hun beweging wordt grotendeels bepaald door de fysica van de oceaan, inclusief stromingen. Deze organismen zijn microscopisch, meestal eencellig, en exponentieel vermenigvuldigen, verdubbelen hun aantal gemiddeld elke dag.

Hun overvloed en hoge productiviteit maken fytoplankton tot een ideale voedselbron voor kleine dieren, zoöplankton genaamd, wat in het Grieks "dierlijke zwervers" betekent. "Als je een miljoen fytoplankton hebt en zoöplankton 500 eet, 000 van hen, het fytoplankton kan binnen een dag snel terugveren tot een miljoen, " zei Tatiana Rynearson, een oceanograaf van de Graduate School of Oceanography aan de University of Rhode Island en lid van het EXPORTS-team. "Fytoplankton levert energie voor het hele ecosysteem omdat ze hun populaties snel kunnen aanvullen."

Zoals fytoplankton, zoöplankton zijn divers in soorten. Sommige zijn eencellig en microscopisch (microzoöplankton), terwijl anderen, zoals de garnaalachtige krill en kwallen, zijn duidelijk zichtbaar voor het blote oog. Verschillende soorten leven hun hele leven in de buurt van het oppervlak van de oceaan, terwijl anderen hun dagen doorbrengen in de schemerzone van 200 meter tot 1000 meter (650 voet tot 3300 voet) lager, waar weinig of geen zonlicht is. Maar 's nachts sommige zoöplanktonsoorten, zoals roeipootkreeftjes, dat zijn kleine schaaldieren, een massale migratie naar de oppervlakte maken - de grootste reis van die aard door het aantal organismen op aarde - om zich te voeden met fytoplankton en microzoöplankton, en trek je dan bij zonsopgang terug in de diepte.

Verderop in de voedselketen, een verscheidenheid aan grotere dieren, zoals vissen - inclusief de reus van de zee, de walvishaai - en baleinwalvissen zoals de blauwe vinvis - het grootste dier op aarde - voeden zich met zoöplankton, het opnemen van die organische koolstof in hun lichaam.

Veel van de organische koolstof die door het fytoplankton wordt verbruikt, zoöplankton en grotere mariene roofdieren keren op korte tijd terug naar de atmosfeer. Dit gebeurt wanneer ze ontleden en door ademhaling langs deze voedselketen, van de grotere dieren en het zoöplankton tot de bacteriën die zich voeden met de uitwerpselen en ontbindende lichamen van deze dieren. Maar een deel van het organische materiaal van uitwerpselen en ontbonden lichamen zinkt in de schemerzone en wordt op langere tijdschalen afgezonderd.

"Het is een kleine fractie, een fractie van een procent biomassa die het dieper in de oceaan maakt waar het water lange tijd uit de atmosfeer blijft, van tientallen tot duizenden jaren, " zei Heidi Sosik, een senior wetenschapper bij Woods Hole Oceanographic Institution en lid van het EXPORTS-team. "We hebben redelijk goede informatie die ons vertelt dat deze processen plaatsvinden, maar we hebben veel minder informatie om ons te helpen bij het kwantitatief beoordelen van hun impact op zaken als koolstofcyclus en, uiteindelijk, klimaat op aarde."

Een van de doelstellingen van de campagne is om het begrip van plankton door middel van genetica te verbeteren. Rynearson en anderen zullen betrokken zijn bij het identificeren van verschillende soorten fytoplankton en zoöplankton aan de hand van hun DNA en bij het bepalen welke soorten zich aan de oppervlakte bevinden, die zinken, en die in de diepe oceaan leven. Het bestuderen van hun genetische samenstelling zal inzicht verschaffen in hun metabolisme, die zullen worden geanalyseerd naast in situ metingen van fotosynthese en ademhaling.

"Eigenlijk, we proberen uit elkaar te halen wie daar is en wat ze doen en hoeveel koolstof er door deze verschillende soorten circuleert, " zei Rynearson. De genetische gegevens zullen worden gekoppeld aan optische metingen, uitgevoerd als onderdeel van het in situ werk, om te helpen bij het bouwen van optische proxy's van kritieke oceaanecosystemen en biogeochemische eigenschappen. Zodra deze optische oceaanproxy's zijn gemaakt, wetenschappers zullen benaderingen om oceaanecosysteemvariabelen op afstand te meten, verder definiëren en verfijnen, uiteindelijk het koppelen van koolstofexportprocessen aan satellietmetingen.

Deborah Steinberg, een professor in mariene wetenschappen aan het Virginia Institute of Marine Science, is co-chief scientist op de R/V Revelle en bestudeert zoöplanktonpopulaties. Met behulp van een fijnmazige, elektronisch gestuurd planktonnet, Steinberg en haar team zullen water op verschillende diepten bemonsteren, van het oppervlak naar 1, 000 meter (3, 200 voet). Ze zullen de overvloed aan verschillende zoöplanktonpopulaties op de verschillende diepten tellen en monsters terugbrengen naar het schip om te zien hoeveel uitwerpselen ze produceren. Sondes op het schip meten ook hoeveel zuurstof ze gebruiken. "Dat geeft ons een goed idee van hun metabolisme en hoeveel elke soort de organische stof die ze eten recycleert of exporteert, " ze zei.

In de tussentijd, Sosik en haar team zullen deel uitmaken van de EXPORT-teamleden die kijken naar de impact van fytoplanktonsoorten op de optische eigenschappen van het oceaanoppervlak - hoe ze zonlicht absorberen en verstrooien - wat van fundamenteel belang is voor het onderscheiden van de signalen die satellieten uit de ruimte halen. "Gecombineerd met gegevens van EXPORT en andere in-situ campagnes over zee die in modellen worden verwerkt, " ze zei, "Satellietgegevens zullen ons helpen meer verfijnde en verfijnde conclusies te trekken over wat er dieper in de oceaan zou kunnen gebeuren en wat de impact op de koolstofcyclus zou kunnen zijn."