Växtplankton utgör basen för den marina näringskedjan men är notoriskt svåra för forskare att redogöra för - lite som att försöka identifiera och räkna dammfloder i luften. Ett verkligt oberoende undervattensfordon visar att det kan göra jobbet.

Trygve Olav Fossum såg en apelsin, torpedformat instrument glider av R/V Gunnerus och plopar in i kustvattnet nära ön som heter Runde. Det var juni 2017 och Fossum, doktorand vid norska universitetet för vetenskap och teknik (NTNU), var en del av ett team av forskare som försökte hitta svar på ett irriterande problem.

Runde, en triangelformad ö utanför den mellersta norska kusten, är känd för sina stora sjöfågelbestånd, inklusive atlantiska lunnefåglar och Northern Gannets.

Under de senaste åren har fågelantalet här och i stora delar av Nordatlanten har sjunkit kraftigt. Ingen vet riktigt varför.

Som ett första steg i deras jakt på ledtrådar, NTNU -forskare hade samlat ett tvärvetenskapligt team av geologer, biologer, matematiker, datavetare och ingenjörer, som Fossum, vars två meter långa autonoma undervattensfordon (AUV) skulle bidra till en av de mest ovanliga uppgifterna om Gunnerus veckolånga undersökning.

Fossums AUV, uppkallad efter den norska oceanografen Harald Sverdrup, skulle samla in information som gjorde det möjligt för forskare att göra en 3D-karta över växtplatser för växtplankton. Dessa är de små encelliga algcellerna vid basen av näringskedjan. Deras mikroskopiska storlek och tendens att samla i plåster har gjort denna information nästan omöjlig för biologer att samla tidigare.

AUV var programmerad att tänka på språng - "se" var växtplankton var, välja sin egen bana för att zooma in på fläckar i ett område för att få ett bättre urval. Forskare kallar detta "adaptiv provtagning". 3D-kartorna, i tur och ordning, kunde ge viktiga ledtrådar om varför fågelpopulationer runt Runde rasade.

Zooplankton äter växtplankton. Lilla fiskar äter zooplankton. Större fisk äter de mindre fiskarna. Till sist, havsfåglar gillar lunnefåglar på dessa fläckar av fisk. Om något förändrade växtplanktonmängder eller distribution, det kan utlösa en kedjereaktion som kan påverka fåglarna.

Att ha en smart AUV som kan programmeras för att leta efter växtplanktonplåster "är en komplett spelväxlare, "säger Geir Johnsen, en NTNU -biolog samarbetar kring projektet. Resultaten från Haralds turné i vattnet utanför Runde rapporterades nyligen in Science Robotics .

Stora områden med okända, och koncentrerade fläckar av fruktsamhet

Marinbiologer står inför ett grundläggande problem. Havet är djupt, bred och allmänt dåligt förstådd. Vissa områden är mer intressanta än andra, särskilt de små, koncentrerade områden som vimlar av liv, som kustvatten eller de platser där strömmar möts. Att göra sitt jobb, biologer måste förstå vilka faktorer som gör vissa fläckar av hav fertila medan andra inte är det.

Biologer beskriver denna situation som, väl, "fläckighet, "Fossum sa. Fytoplanktons fläckighet är relaterat till ett antal olika biofysiska interaktioner, som strömmar, turbulens och blandning, och biologiska processer, som hur många andra varelser som äter växtplankton.

"Det betyder att det är en mycket svår fråga att ta reda på vad som styr fläckarna hos dessa organismer i havet, Sa Fossum.

Även om du är på en plats som är känd för att vara en het plats, ojämnhet kan göra det svårt att exakt kvantifiera marina organismer i området, särskilt om du tar prover från en forskningsbåt, säger Glaucia Fragoso, en postdoc vid NTNU:s biologiska institution som var på kryssningen med Fossum.

"Om vi ​​tappar vår provtagare på fel plats, vi kan underskatta och underskatta fytoplanktonnummer, "sa hon." Eller om vi tappar vår provtagare mitt i en lapp, vi kan överskatta. "

Varför patchar är där de är

Det är det som gör den adaptiva provtagningen av Harald, AUV, så unikt, Sa Fragoso. Med tanke på ett område att utforska, den kan göra en 3D-karta över växtplanktonplåster. Och att veta var patchar är tillåter forskare att studera andra egenskaper hos det området så att de bättre förstår varför patchar är där de är.

"Är koncentrationen (växtplankton) där på grund av salthalt?" sa Fossum. "Kanske är växtplanktonen koncentrerad längs ett temperatur- eller salthaltskikt, eller kanske det finns någon annan fysisk effekt som håller dem där de är? "

Att veta var och varför växtplanktonaggregat och kluster på olika sätt kan hjälpa till att svara på frågor om varelser som är beroende av havet för mat, som sjöfåglarna vid Runde.

Sjöfåglar häckar vanligtvis i områden där de har lätt tillgång till föda, eftersom de måste mata sig själva och sina ungar, för. Så att räkna ut växtplanktonmängder och var de är, i kombination med andra mätningar, kan förklara större trender i sjöfågelbestånden.

Adaptiv provtagning för mer detaljer

Harald var programmerad med en sofistikerad hjärna och utrustad med en speciell mätanordning som kallas en ECOpuck inbäddad på baksidan. När Fossum släppte ut det i vattnet den junidagen, Harald skulle vandra runt havets djup i ett område avgränsat av en 700 × 700 meter låda, samla information för att göra en 3D-karta över växtplankton.

ECOpuck mäter faktiskt inte växtplankton själv, men något som kallas klorofyll en fluorescens. Växtplankton använder klorofyll och pigment i fotosyntesprocessen, och ämnet fluorescerar rött när det utsätts för ljus. ECOpuck upptäcker fluorescensen, som kan indikera hur mycket växtplanktonbiomassa som finns i vattnet.

I början av AUV:s resa, den tar mätningar på lådans sidor och zoomar sedan gradvis in i det område som rutan skisserar när den upptäcker det område som verkar ha mest klorofyll a, Säger Fossum.

"Den boxas i en volym vatten och baserat på vad den ser, det uppskattar vad som finns inuti, "sa han." Sedan planerar den en rutt för insidan och gör en karta över den mest intressanta regionen. Vad jag verkligen vill ha av detta är en korrekt karta, med den noggrannhet där det behövs som mest - där planktonaggregationen är hög. "

Forskarna förlitade sig också på andra provtagningsmetoder för att samla in ännu mer information om plankton runt Runde, inklusive en speciell kamera som tog bilder av individuellt plankton, och räknade och identifierade dem automatiskt för att verifiera resultaten från AUV.

En framtid för fartyg och AUV

Trots AUV:s framgångar, Fossum och andra förklarar att biologer fortfarande behöver samla in information från andra källor - som forskningskryssningar ombord på R/V Gunnerus.

"Oceanografi går mot kombinerade insatser för att samla in data, där robotprovtagning är en väsentlig del, tillhandahålla kapacitet och upplösning som tidigare var ouppnåelig med traditionella metoder, "Fossum sa." Det yttersta målet är att effektivt mäta effekterna av klimatförändringar i ekosystemet, till exempel."

Fossum säger att det finns ett behov av mycket mer ihållande övervakning av Norges kuster, marina skyddade områden, och ömtåliga livsmiljöer.

"Målet är att så småningom automatisera mycket mer av detta arbete, men vi siktar inte på att ersätta fartyg, de är fortfarande viktiga i denna strävan, " han sa.

Mysteriet kvarstår

För hennes del, Fragoso ser värdet av att ha en AUV som Harald för att hjälpa till att hitta var hon och andra biologer borde göra mer detaljerade provtagningar.

"Växtplankton är bara inte lätt att prova eftersom de ständigt svarar på en ständigt föränderlig miljö, "sa hon." Detta ger oss mycket mer information om hur växtplankton uppstår i vattenpelaren. Och ju mer information vi har, desto bättre."

När det gäller fåglarnas mysterium på Runde, Fossum och Johnsen säger att forskare måste göra mer forskning under en längre period. Till exempel, tidpunkten för tillgången på mat är mycket viktig för både fisk och fåglar.

"Fåglar måste hitta mat särskilt när deras ungar kläcks, och fisken måste vara rätt art och storlek för att sjöfåglar ska överleva, "Säger Johnsen." Klimatförändringar och föroreningar förändrar nu snabbt förhållandena i det marina ekosystemet, och vi behöver veta mer. "

"Vi tog en ögonblicksbild av det området, som berättar något om det nuvarande ekosystemet vid den tiden, "Fossum tillade." Men vi måste gå tillbaka och få en annan ögonblicksbild för att upptäcka förändringar och identifiera potentiella orsaker för att säga något om varför fåglarna minskar. "