Visualización de un artista de Harald en el océano, detectar y medir la clorofila a como una indicación de las cantidades y ubicaciones de fitoplancton. Crédito:David Fierstein y Arild Hareide
El fitoplancton forma la base de la cadena alimentaria marina, pero es notoriamente difícil de explicar para los científicos, algo así como tratar de identificar y contar motas de polvo en el aire. Un vehículo submarino verdaderamente independiente demuestra que puede hacer el trabajo.
Trygve Olav Fossum vio una naranja, Un instrumento en forma de torpedo se desliza desde el R / V Gunnerus y se desploma en las aguas costeras cerca de la isla llamada Runde. Era junio de 2017 y Fossum, un candidato a doctorado en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU), era parte de un equipo de investigadores que intentaba encontrar respuestas a un problema molesto.
Runde, una isla en forma de triángulo frente a la costa de Noruega central, es conocido por sus grandes poblaciones de aves marinas, incluyendo frailecillos atlánticos y alcatraces del norte.
En años recientes, El número de aves aquí y en gran parte del Atlántico Norte ha disminuido vertiginosamente. Nadie sabe muy bien por qué.
Como primer paso en su búsqueda de pistas, Los investigadores de NTNU habían reunido un equipo interdisciplinario de geólogos, biólogos, matemáticos, científicos e ingenieros informáticos, como Fossum, cuyo vehículo submarino autónomo (AUV) de dos metros de largo contribuiría a una de las piezas de información más inusuales en la encuesta de una semana de Gunnerus.
AUV de Fossum, nombrado en honor al oceanógrafo noruego Harald Sverdrup, recopilaría información que permitiera a los científicos hacer un mapa tridimensional de los puntos calientes de fitoplancton. Estas son las diminutas células de algas unicelulares que se encuentran en la base de la cadena alimentaria. Su tamaño microscópico y su tendencia a recolectarse en parches han hecho que esta información sea casi imposible de recolectar para los biólogos en el pasado.
El AUV estaba programado para pensar sobre la marcha:"ver" dónde estaba el fitoplancton, eligiendo su propio curso para acercar los parches en un área para obtener una mejor muestra. Los científicos llaman a esto "muestreo adaptativo". Los mapas en 3-D, Sucesivamente, podría proporcionar pistas importantes sobre por qué las poblaciones de aves alrededor de Runde estaban cayendo en picado.
El zooplancton come fitoplancton. Los peces pequeños comen zooplancton. Los peces más grandes se comen a los más pequeños. Finalmente, las aves marinas como los frailecillos se dan un festín con estas parcelas de peces. Si algo cambiaba la cantidad o la distribución del fitoplancton, podría desencadenar una reacción en cadena que podría afectar a las aves.
Tener un AUV inteligente que se pueda programar para buscar parches de fitoplancton "es un cambio de juego completo, "dice Geir Johnsen, un biólogo de NTNU está colaborando en el proyecto. Los resultados de la gira de Harald en las aguas de Runde se informaron recientemente en Ciencia Robótica .
Grandes áreas de desconocido, y parches concentrados de fecundidad
Harald, el inteligente AUV, se lanza a la búsqueda de parches de fitoplancton. Crédito:Trygve Fossum, NTNU
Los biólogos marinos se enfrentan a un problema fundamental. El océano es profundo amplio y generalmente poco entendido. Algunas áreas son más interesantes que otras, especialmente los pequeños, áreas concentradas que rebosan de vida, como las aguas costeras o los lugares donde se encuentran las corrientes. Para hacer su trabajo Los biólogos deben comprender qué factores hacen que algunas zonas del océano sean fértiles y otras no.
Los biólogos describen esta situación como, bien, "irregularidad, "Dijo Fossum. La irregularidad del fitoplancton está relacionada con una serie de interacciones biofísicas diferentes, como las corrientes, turbulencia y mezcla, y procesos biológicos, como cuántas otras criaturas se están comiendo el fitoplancton.
"Eso significa que es una pregunta muy difícil averiguar qué controla la dispersión de estos organismos en el océano, "Dijo Fossum.
Incluso si se encuentra en un lugar conocido por ser un punto caliente, la irregularidad puede dificultar la cuantificación precisa de los organismos marinos en el área, especialmente si está tomando muestras de un barco de investigación, dice Glaucia Fragoso, un postdoctorado en el Departamento de Biología de NTNU que estaba en el crucero con Fossum.
"Si dejamos caer nuestra muestra en el lugar equivocado, podemos submuestrear y subestimar el número de fitoplancton, ", dijo." O si dejamos caer nuestra muestra en medio de un parche, podemos sobreestimar ".
¿Por qué los parches están donde están?
Eso es lo que hace que el muestreo adaptativo de Harald, el AUV, tan singular, Dijo Fragoso. Dada un área para explorar, puede hacer un mapa tridimensional de parches de fitoplancton. Y saber dónde están los parches permite a los científicos estudiar otras características de esa área para comprender mejor por qué los parches están donde están.
"¿La concentración (de fitoplancton) se debe a la salinidad?" dijo Fossum. "Quizás el fitoplancton se concentra a lo largo de una capa de temperatura o salinidad, ¿O tal vez hay algún otro efecto físico que los mantiene donde están? "
Frailecillos fotografiado en Runde Island a principios del verano. Las poblaciones de frailecillos y otras aves marinas que anidan en los escarpados acantilados de Runde se han reducido drásticamente en los últimos años. Crédito:Rick Strimbeck / NTNU
Saber dónde y por qué el fitoplancton se agrega y se agrupa de diferentes maneras puede ayudar a responder preguntas sobre las criaturas que dependen del océano para alimentarse. como las aves marinas de Runde.
Las aves marinas suelen anidar en áreas donde tienen fácil acceso a los alimentos, ya que tienen que alimentarse a sí mismos y a sus polluelos, también. Entonces, averiguando las cantidades de fitoplancton y dónde están, en combinación con otras medidas, puede ayudar a explicar tendencias más amplias en las poblaciones de aves marinas.
Muestreo adaptativo para mayor detalle
Harald fue programado con un cerebro sofisticado y equipado con un dispositivo de medición especial llamado ECOpuck ubicado en su parte trasera. Cuando Fossum lo lanzó al agua ese día de junio, Harald vagaría por las profundidades del océano en un área delimitada por una caja de 700 × 700 metros, recolectando información para hacer un mapa tridimensional del fitoplancton.
El ECOpuck en realidad no mide el fitoplancton en sí, pero algo llamado clorofila a fluorescencia. El fitoplancton usa pigmentos de clorofila a en el proceso de fotosíntesis, y la sustancia se vuelve roja cuando se expone a la luz. El ECOpuck detecta la fluorescencia, que puede indicar cuánta biomasa de fitoplancton se encuentra en el agua.
Al comienzo del viaje del AUV, toma medidas en los lados de la caja y luego amplía gradualmente el área delimitada por la caja a medida que detecta la región que parece tener la mayor cantidad de clorofila a, Dice Fossum.
"Se encajona en un volumen de agua y, según lo que ve, estima lo que hay dentro, ", dijo." Luego planifica una ruta para el interior y hace un mapa de la región más interesante. Lo que realmente quiero de esto es un mapa preciso, con la precisión donde más se necesita, donde la agregación de plancton es alta ".
Los investigadores también se basaron en otros métodos de muestreo para recopilar aún más información sobre el plancton alrededor de Runde, incluyendo una cámara especial que tomó fotografías de plancton individual, y los contó e identificó automáticamente para ayudar a verificar los resultados del AUV.
Un futuro para barcos y AUV
Visualización de un artista de Harald bajo las olas en el contexto de las aguas de Runde. Crédito:David Fierstein y Arild Hareide.
A pesar del éxito de la AUV, Fossum y otros explican que los biólogos todavía necesitan recopilar información de otras fuentes, como cruceros de investigación a bordo del R / V Gunnerus.
"La oceanografía avanza hacia esfuerzos combinados para recopilar datos, donde el muestreo robótico es una parte esencial, proporcionar capacidades y resolución que antes eran inalcanzables con los métodos tradicionales, "Fossum dijo." El objetivo final es medir eficazmente el impacto del cambio climático en el ecosistema, por ejemplo."
Fossum dice que se necesita un seguimiento mucho más persistente de las costas de Noruega, áreas marinas protegidas, y hábitats frágiles.
"El objetivo es, eventualmente, automatizar mucho más de este trabajo, pero no pretendemos reemplazar los barcos, siguen siendo vitales en este empeño, " él dijo.
El misterio permanece
Por su parte Fragoso ve el valor de tener un AUV como Harald para ayudar a identificar dónde ella y otros biólogos deberían realizar un muestreo más detallado.
"El fitoplancton simplemente no es fácil de muestrear porque responde constantemente a un entorno en constante cambio, ", dijo." Esto nos da mucha información adicional sobre cómo se produce el fitoplancton en la columna de agua. Y cuanta más información tengamos, el mejor."
En cuanto al misterio de los pájaros en Runde, Fossum y Johnsen dicen que los científicos necesitan hacer más investigaciones durante un período más largo. Por ejemplo, el momento de la disponibilidad de alimentos es muy importante tanto para los peces como para las aves.
"Las aves necesitan encontrar comida, especialmente cuando sus polluelos están naciendo, y los peces deben tener la especie y el tamaño adecuados para que las aves marinas sobrevivan, Johnsen dice. "El cambio climático y la contaminación están ahora alterando rápidamente las condiciones en el ecosistema marino, y necesitamos saber más ".
"Tomamos una instantánea de esa área, que nos dice algo sobre el ecosistema actual en ese momento, ", Agregó Fossum." Pero tendremos que regresar y obtener otra instantánea para detectar cambios e identificar causas potenciales para decir algo acerca de por qué las aves están disminuyendo ".
