Havets liv i 3-D:Kortlægning af fytoplankton med en smart AUV

Fytoplankton danner bunden af ​​den marine fødekæde, men er notorisk svære for forskere at redegøre for - lidt ligesom at forsøge at identificere og tælle støvkorn i luften. Et virkelig uafhængigt undervandsfartøj viser, at det kan gøre arbejdet.

Trygve Olav Fossum så en appelsin, torpedo-formet instrument glider af R/V Gunnerus og plapper ind i kystfarvandet nær øen kaldet Runde. Det var juni 2017 og Fossum, en ph.d.-kandidat ved Norges Tekniske og Naturvidenskabelige Universitet (NTNU), var en del af et team af forskere, der forsøgte at finde svar på et irriterende problem.

Runde, en trekantformet ø ud for den midtnorske kyst, er kendt for sine store havfuglebestande, herunder lunder og nordsuler.

I de seneste år, antallet af fugle her og i store dele af Nordatlanten er faldet brat. Ingen ved helt hvorfor.

Som et første skridt i deres søgen efter spor, NTNU-forskere havde samlet et tværfagligt team af geologer, biologer, matematikere, dataloger og ingeniører, ligesom Fossum, hvis to meter lange autonome undervandsfartøj (AUV) ville bidrage til en af ​​de mest usædvanlige oplysninger om Gunnerus' ugelange undersøgelse.

Fossums AUV, opkaldt efter den norske oceanograf Harald Sverdrup, ville indsamle information, der gjorde det muligt for forskere at lave et 3D-kort over hot spots af fytoplankton. Disse er de små encellede algeceller i bunden af ​​fødekæden. Deres mikroskopiske størrelse og tendens til at samle sig i pletter har gjort denne information næsten umulig for biologer at indsamle tidligere.

AUV'en var programmeret til at tænke på farten - "at se" hvor planteplanktonet var, at vælge sin egen kurs for at zoome ind på patches i et område for at få en bedre prøve. Forskere kalder dette "adaptiv prøveudtagning." 3D-kortene, på tur, kunne give vigtige fingerpeg om, hvorfor fuglebestandene omkring Runde styrtdykkede.

Zooplankton spiser planteplankton. Små fisk spiser dyreplankton. Større fisk spiser de mindre fisk. Endelig, havfugle som søpapegøjer holder af disse pletter af fisk. Hvis noget ændrede mængden af ​​fytoplankton eller fordeling, det kunne sætte gang i en kædereaktion, der kunne påvirke fuglene.

At have en smart AUV, der kan programmeres til at opsøge fytoplanktonpletter, "er en komplet gamechanger, siger Geir Johnsen, en NTNU-biolog samarbejder om projektet. Resultaterne fra Haralds tur i farvandet ud for Runde blev for nylig rapporteret ind Videnskab robotik .

Store områder af ukendt, og koncentrerede pletter af frugtbarhed

Havbiologer står over for et grundlæggende problem. Havet er dybt, bred og generelt dårligt forstået. Nogle områder er mere interessante end andre, især de små, koncentrerede områder, der myldrer med liv, såsom kystnære farvande eller de steder, hvor strømme mødes. For at udføre deres arbejde, Biologer skal forstå, hvilke faktorer der gør nogle pletter af havet frugtbare, mens andre ikke er det.

Biologer beskriver denne situation som godt, "lappethed, " sagde Fossum. Planteplanktonets pletterhed er relateret til en række forskellige biofysiske interaktioner, såsom strømme, turbulens og blanding, og biologiske processer, ligesom hvor mange andre væsner der spiser planteplanktonet.

"Det betyder, at det er et meget svært spørgsmål at finde ud af, hvad der styrer disse organismers pletterhed i havet, sagde Fossum.

Selvom du er et sted, der er kendt for at være et hot spot, pletvished kan gøre det vanskeligt nøjagtigt at kvantificere marine organismer i området, især hvis du tager prøver fra en forskningsbåd, siger Glaucia Fragoso, en postdoc ved NTNUs Biologisk Institut, der var på krydstogt med Fossum.

"Hvis vi taber vores sampler det forkerte sted, vi kan underprøve og undervurdere antallet af fytoplankton, " sagde hun. "Eller hvis vi taber vores sampler lige midt i et plaster, vi kan overvurdere."

Hvorfor patches er, hvor de er

Det er det, der gør den adaptive sampling af Harald, AUV, så unik, sagde Fragoso. Givet et område at udforske, den kan lave et 3-D kort over fytoplanktonpletter. Og at vide, hvor pletterne er, gør det muligt for videnskabsmænd at studere andre karakteristika ved dette område, så de bedre forstår, hvorfor pletterne er, hvor de er.

"Er (fytoplankton) koncentrationen der på grund af saltholdighed?" sagde Fossum. "Måske er fytoplanktonet koncentreret langs et temperatur- eller saltholdighedslag, eller måske er der en anden fysisk effekt, der holder dem, hvor de er?"

At vide, hvor og hvorfor phytoplankton samler sig og klynger sig på forskellige måder, kan hjælpe med at besvare spørgsmål om skabninger, der er afhængige af havets føde, som havfuglene ved Runde.

Havfugle yngler typisk i områder, hvor de har let adgang til føde, da de skal fodre sig selv og deres unger, også. Så ved at finde ud af mængden af ​​fytoplankton, og hvor de er, i kombination med andre målinger, kan være med til at forklare større tendenser i havfuglebestande.

Adaptiv sampling for flere detaljer

Harald var programmeret med en sofistikeret hjerne og udstyret med en speciel måleenhed kaldet en ECOpuck beliggende i dens bagside. Da Fossum sluppede den ud i vandet den junidag, Harald ville strejfe i havets dybder i et område afgrænset af en 700×700 meter kasse, indsamle information for at lave et 3-D kort over planteplankton.

ECOpuck måler faktisk ikke selve fytoplanktonet, men noget, der hedder klorofyl en fluorescens. Planteplankton bruger klorofyl a-pigmenter i processen med fotosyntese, og stoffet fluorescerer rødt, når det udsættes for lys. ECOpuck registrerer fluorescensen, som kan indikere hvor meget planteplanktonbiomasse der findes i vandet.

Ved starten af ​​AUV'ens rejse, den tager målinger på siderne af kassen og zoomer derefter gradvist ind i det område, der er skitseret af boksen, efterhånden som den registrerer det område, der ser ud til at have mest klorofyl a, siger Fossum.

"Den kasserer en mængde vand og baseret på hvad den ser, den vurderer, hvad der er indeni, " sagde han. "Så planlægger den en rute for inde og laver et kort over den mest interessante region. Det, jeg virkelig ønsker fra dette, er et nøjagtigt kort, med den nøjagtighed, hvor det er mest nødvendigt - hvor planktonaggregationen er høj."

Forskerne stolede også på andre prøveudtagningsmetoder for at indsamle endnu mere information om plankton omkring Runde, inklusive et specielt kamera, der tog billeder af individuelt plankton, og talte og identificerede dem automatisk for at hjælpe med at verificere resultaterne fra AUV.

En fremtid for skibe og AUV'er

På trods af succesen med AUV, Fossum og andre forklarer, at biologer stadig har brug for at indsamle information fra andre kilder - som forskningstogter ombord på R/V Gunnerus.

"Oceanografi bevæger sig mod en kombineret indsats for at indsamle data, hvor robotprøvetagning er en væsentlig del, at levere muligheder og opløsning, der tidligere var uopnåelige med traditionelle metoder, " Fossum sagde. "Det ultimative mål er effektivt at måle virkningen af ​​klimaændringer i økosystemet, for eksempel."

Fossum siger, at der er behov for meget mere vedvarende overvågning af Norges kyster, beskyttede havområder, og skrøbelige levesteder.

"Målet er på sigt at automatisere meget mere af dette arbejde, men vi sigter ikke mod at erstatte skibe, de er stadig vigtige i denne bestræbelse, " han sagde.

Mysteriet består

For hendes vedkommende, Fragoso ser værdien af ​​at have en AUV som Harald for at hjælpe med at finde ud af, hvor hun og andre biologer bør foretage mere detaljerede prøveudtagninger.

"Phytoplankton er bare ikke lette at prøve, fordi de konstant reagerer på et miljø i konstant forandring, " sagde hun. "Dette giver os en masse yderligere information om, hvordan fytoplankton forekommer i vandsøjlen. Og jo flere oplysninger vi har, des bedre."

Hvad angår mysteriet med fuglene på Runde, Fossum og Johnsen siger, at forskerne skal forske mere over en længere periode. For eksempel, tidspunktet for tilgængelighed af føde er meget vigtigt for både fisk og fugle.

"Fugle skal finde mad, især når deres unger klækker, og fiskene skal have den rigtige art og størrelse for at havfugle kan overleve, " siger Johnsen. "Klimaændringer og forurening ændrer nu hurtigt forholdene i det marine økosystem, og vi har brug for at vide mere."

"Vi tog et øjebliksbillede af det område, som fortæller os noget om det nuværende økosystem på det tidspunkt, "Føjede Fossum. "Men vi bliver nødt til at gå tilbage og få endnu et øjebliksbillede for at opdage ændringer og identificere potentielle årsager til at sige noget om, hvorfor fuglene falder."