Svärmar av små oceaniska organismer som tillsammans kallas djurplankton kan ha en stor påverkan på sin miljö. Ny forskning vid Stanford visar att kluster av centimeterlånga individer, var och en slår små fjäderben, burk, sammantaget, skapa kraftfulla strömmar som kan blanda vatten över hundratals meters djup.

Även om arbetet utfördes i labbet, fyndet är det första som visar att migrerande djurplankton – eller faktiskt vilken organism som helst – kan skapa turbulens i en skala som är tillräckligt stor för att blanda havets vatten. Arbetet kan förändra hur havsforskare tänker på globala näringskretslopp som kol, fosfat och syre, eller till och med själva havsströmmarna.

"Havens dynamik är direkt kopplad till det globala klimatet genom interaktioner med atmosfären, sa John Dabiri, en professor i anläggnings- och miljöteknik och i maskinteknik. "Det faktum att simmande djur kan spela en betydande roll i havsblandning - en idé som har varit nästan kättersk inom oceanografin - kan därför få konsekvenser långt bortom de omedelbara vattnen där djuren vistas."

Dabiri, som var senior författare på verket som publicerades 18 april i Natur , tillade att fynden också kan hjälpa forskare att förstå hur havet binder koldioxid från atmosfären och leder till uppdateringar i havsklimatmodeller.

"Just nu inkluderar många av våra havsklimatmodeller inte effekten av djur eller om de gör det är det som passiva deltagare i processen, sa Dabiri.

Vattnande vatten

En av de vanligaste djurplanktonerna, krill är bland de mest förekommande marina organismerna och vandrar dagligen i jättesvärmar, på väg hundratals meter djupt på dagen och upp till havets yta på natten för att äta.

Dabiri visste att när det gäller krafter som driver blandningen av hav, vind- och tidvattenströmmar tros spela den största rollen. Men han undrade om gigantiska djurplanktonvandringar också kunde vara involverade - en idé som först föreslogs av oceanografen Walter Munk 1966, och sedan dess debatterat men aldrig systematiskt utforskat.

Dabiri och doktoranden Isabel Houghton försökte svara på den frågan inte i havet utan i den relativt kontrollerade miljön med stora vattentankar i labbet. Paret arbetade med Jeffrey Koseff och Stephen Monismith, professorer i civil- och miljöteknik som är experter på blandning i havet, att skapa flödesmiljöer som efterliknar havet med saltare vatten på botten av tanken och mindre saltvatten på toppen. Den resulterande gradienten speglar havsförhållanden som alla organismer skulle behöva störa för att cirkulera näringsämnen mellan havets yta och vattnet djupt nedanför.

"Det finns ingen märkbar djupblandning av syre eller koldioxid i havet om du inte kan övervinna den stabiliserande inverkan av salthalt och temperaturgradienter, " sa Koseff.

I labbet, gruppen letade efter att se om de små organismerna de studerade – mest artemia (även känd som havsapor) som en reserv för mindre labbhärdig krill – helt enkelt kärnar vatten lokalt, lämnar gradienten intakt, eller omfördelning av salt till en mer enhetlig blandning. Om de kan blanda lager i labbet, chansen är stor att de kan göra samma sak i havet, argumenterade gruppen.

Simma med laserljus

För att genomföra studien, Houghton placerade artemia i tanken och aktiverade laser- eller LED-ljus från antingen ovan eller under, eftersom artemia räkor attraheras av ljus, så de migrerade mot källan. När hon vände på ljusen sprang de små varelserna till andra änden i en migration som varade i cirka 10 minuter.

Med kameror som noggrant registrerar djurens rörelser, gruppen har kunnat mäta de enskilda vattenvirvlarna som omger varje artemia och de större strömmarna i tanken. Från dessa, de har visat att turbulens från enskilda organismer samlas i en mycket större turbulent jet i spåren av migrationen.

Vad mer, dessa flöden var tillräckligt kraftfulla för att blanda tankens saltgradient. "De ersatte inte bara vätska som sedan återvände till sin ursprungliga plats, " sa Houghton. "Allt blandas oåterkalleligt."

Innan detta arbete, forskare hade trott att krill och annat djurplankton bara kunde skapa turbulens i sitt eget storleksintervall - i storleksordningen centimeter. Det är knappast tillräckligt för att flytta näringsämnen i en meningsfull skala. Nu verkar det som att djurplankton har kapacitet att blanda havsvatten, åtminstone regionalt. Vidare, Dabiri sa att deras fynd kanske inte bara gäller organismer som krill i den övre kilometern av havet, men också till maneter, bläckfisk, fiskar och däggdjur som simmar ännu djupare, potentiellt kärnar hela vattenpelaren.

Dabiri sa att hans labbmedlemmar måste verifiera sina fynd i havet, vilket kommer att innebära att hitta och följa svärmar av krill på så olika platser som Kaliforniens kust och kyliga antarktiska vatten. Men om de fortsätter att se blandning på vågen föreslår labbarbetet, fynden kan förändra sättet som havsforskare tänker på djurens roll när det gäller att påverka deras vattenmiljö – och eventuellt vårt klimat på land.

Börjar enkelt för stora resultat

Trots arbetets potentiella inverkan på hur havsforskare tänker om marina djurs roll i globala frågor som klimat och näringskretslopp, denna forskning har ett historiskt förflutet. Dess finansiering fanns en gång med i en lista över statligt avfall känd som The Wastebook, som hänvisade till det som att studera synkronsim i sjöapor.

"Genom att börja enkelt och använda en oortodox organism som artemia, det har gjort det möjligt för oss att nu gå ut i havet och mäta något där vi har ett mer specifikt mål i åtanke, sa Dabiri.

Mätningar som skulle ha kostat $20, 000 per dag ombord på ett fartyg kostar bara cirka 100 USD per dag i labbet, spara betydande pengar och producera resultat som är relevanta för både forskare och beslutsfattare.