De flesta av de 10, 000 fartyg som förlorats till botten av de stora sjöarna i vrak under de senaste 400 åren är fortfarande förlorade – gömda någonstans i 6 kvadriljon liter vatten. Att hitta något i en sjö är en lektion i ödmjukhet, så livet som sötvattensbiolog är alltid ödmjukt. Om vi ​​inte kan ta hänsyn till enorma stålfraktfartyg, föreställ dig utmaningen att hitta en enda liten organism.

Men det är avgörande att upptäcka invasiva arter så tidigt som möjligt. Vattenlevande invasiva arter orsakar miljarder dollar i ekonomiska skador, och tillsynsmyndigheter baserar förvaltningsbeslut på flera miljoner dollar på forskarnas och chefers förmåga att upptäcka dem. Det är mycket mer kostnadseffektivt att investera i förebyggande åtgärder än att reagera efter att en art har etablerat sig. Och lågdensitetspopulationer är lättare att hantera än arter som tagit över ett ekosystem.

Men sedan finansieringen, utrustning och tid är begränsad, forskare kan ofta bara prova för invasiva över små fraktioner av sårbara områden. Förenar utmaningen, våra målarter tenderar att lura vid låga tätheter – det vill säga, de är sällsynta på de flesta ställen.

Jag har ägnat åtta år åt att studera den taggiga vattenloppan ( Bythotrephes longimanus ), ett invasivt djurplankton, i Wisconsin. I en nyligen genomförd studie, Jag arbetade med mina kollegor Eric Pedersen och Jake Vander Zanden för att utveckla ett teoretiskt ramverk som använder matematik och datormodellering för att förbättra upptäckten av invasiva arter vid låg täthet.

Vår modell ger en enkel tumregel för att utforma övervakningsprogram utan annan information än en uppskattning av förväntad befolkningstäthet. Med andra ord, om chefer har en bra förståelse för hur många individer som finns i ett system, våra modeller kan ge lite grundläggande information om hur mycket ansträngning de behöver investera i provtagning för att kunna upptäcka arten på ett tillförlitligt sätt. Alternativt våra modeller kan hjälpa chefer att uppskatta om deras nuvarande insatser är effektiva för att upptäcka populationer tidigt i invasionsprocessen.

Ett försenat fynd

För oss, denna utmaning var personlig. Den taggiga vattenloppan har gjort upp näringsväven i vår egen Lake Mendota i Madison, Wisconsin.

I de flesta sjöar är det inte förvånande att missa nya biologiska invasioner. Men Lake Mendota är en av de mest välstuderade sjöarna i världen, och vi tog prover över 200 gånger under decenniet som ledde fram till att loppan upptäcktes.

Zooplankton är små organismer:Den taggiga vattenloppan är mindre än en halv tum lång. För att hitta dem, vi drar ett konformat nät genom vattnet. Nätet är nästan 6 fot långt, med en båge på cirka en och en halv fot i diameter i ena änden och en uppsamlingsbägare som fångar fångat djurplankton i den andra. För varje 10 fot som vi drar nätet genom sjön, vi provar nästan 160 liter vatten – en mängd som skulle vara en kamp att bära, men representerar bara en miljarddel av Mendotasjöns volym.

I början, den taggiga vattenloppans invasion av Lake Mendota verkade vara den enklaste upptäcktsutmaningen. När vi först identifierade dess närvaro 2009, våra nät vimlade av rosa breda stjärtryggar och kolsvarta ögonfläckar. Vi uppskattade att dessa tätheter skulle motsvara en sjöomfattande befolkning på biljoner.

Men när vi lärde oss mer, vi upptäckte att lopporna troligen hade varit i sjön så länge som ett decennium innan de dök upp i massor som vi kallade "taggiga vattenloppor äppelmos" i våra samlingsburkar.

Tumregler för att upptäcka invasiva arter

Även om denna insikt var en chock, vårt arbete visade att det faktiskt inte var förvånande. Eftersom invasiva arter ofta lurar i låg täthet, saknade invasiva populationer är mer sannolikt regel än undantag, även i väl övervakade ekosystem.

Att upptäcka invasiva arter är det första steget i en förvaltningsstrategi, och tidig upptäckt är utmanande men avgörande för att effektivt hantera skadliga inkräktare, som asiatisk karp och zebramusslor. Att misslyckas med att upptäcka taggig vattenloppa har varit en viktig stötesten för att hantera dess spridning över mellanvästern. Liknande dynamik förekommer med andra invasiva arter, inklusive medflugor i Kalifornien och Didymo-alger, also known as "rock snot, " which is causing blooms in rivers across North America.

We wanted to see whether there were ways to make detection more effective. Att göra detta, we used theoretical models that explore detection at low densities to provide simple rules of thumb that aim to improve the process.

At low densities, detecting a small invasive organism in a large area can be nearly impossible without extraordinary effort. Even if there were one spiny water flea for every cubic meter of water in Lake Mendota, catching one in a net would be like finding a sesame seed in roughly 250 gallons of water.

Dock, managers can dramatically improve detection rates by targeting their sampling to areas or time periods when the target species is likely to be present at higher densities. Humans do this naturally when we have the necessary information. Till exempel, I don't search grocery stores randomly for blueberries – I look in the produce section, mainly in late summer when blueberries are in season in Wisconsin.

The spiny water flea is most abundant in fall. By doubling search efforts in the fall, we calculated that managers would improve detection as much as if they doubled efforts over the entire year.

Targeting is particularly important in multi-species surveys. Managers often look for multiple invasive species when they are sampling, but we concluded in our study that it's much more efficient to target each species separately if they differ in when or where they are most abundant. And the greater the difference, the greater the benefit from sampling for them separately.

It also helps to identify locations that are vulnerable to invasion. If a manager is tasked with monitoring a dozen lakes, she could either spread effort equally among them or use information about what kinds of lakes the invader tends to invade to target vulnerable lakes. Focusing efforts on a smaller number of vulnerable lakes, instead of sampling all 12, might be enough to overcome the challenges of detecting species at low densities.

Detection is key to control

Invasive species cause enormous ecological and economic harm. As just one example, invasive insects do some US$13 billion in damage yearly to crops in the United States.

Our rules of thumb can help scientists and managers work smarter. I sista hand, fastän, the United States needs to invest much more in effective and comprehensive invasive species prevention efforts to prevent future ecological and economic harm by invasive species.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.