Il fitoplancton costituisce la base della catena alimentare marina, ma è notoriamente difficile da spiegare per gli scienziati, un po' come cercare di identificare e contare i granelli di polvere nell'aria. Un veicolo subacqueo veramente indipendente mostra che può fare il lavoro.

Trygve Olav Fossum guardò un'arancia, strumento a forma di siluro scivola via dal R/V Gunnerus e si tuffa nelle acque costiere vicino all'isola chiamata Runde. Era il giugno 2017 e Fossum, un dottorando presso la Norwegian University of Science and Technology (NTNU), faceva parte di un team di ricercatori che cercavano di trovare risposte a un problema fastidioso.

Runde, un'isola a forma di triangolo al largo della costa della Norvegia centrale, è noto per le sue grandi popolazioni di uccelli marini, compresi pulcinelle di mare e sule settentrionali.

Negli ultimi anni, il numero di uccelli qui e in gran parte del Nord Atlantico è diminuito precipitosamente. Nessuno sa bene perché.

Come primo passo nella loro ricerca di indizi, I ricercatori della NTNU avevano riunito un team interdisciplinare di geologi, biologi, matematici, informatici e ingegneri, come Fossum, il cui veicolo sottomarino autonomo (AUV) lungo due metri contribuirebbe a una delle informazioni più insolite del sondaggio di una settimana del Gunnerus.

AUV di Fossum, prende il nome dall'oceanografo norvegese Harald Sverdrup, raccoglierebbe informazioni che consentissero agli scienziati di creare una mappa 3D dei punti caldi del fitoplancton. Queste sono le minuscole cellule algali unicellulari alla base della catena alimentare. Le loro dimensioni microscopiche e la tendenza a raccogliersi a chiazze hanno reso queste informazioni quasi impossibili da raccogliere per i biologi in passato.

L'AUV era programmato per pensare in movimento, "vedere" dove si trovava il fitoplancton, scegliendo il proprio percorso per ingrandire le patch in un'area per ottenere un campione migliore. Gli scienziati chiamano questo "campionamento adattivo". Le mappe 3D, a sua volta, potrebbe fornire importanti indizi sul motivo per cui le popolazioni di uccelli intorno a Runde stavano precipitando.

Lo zooplancton mangia il fitoplancton. I pesciolini mangiano lo zooplancton. I pesci più grandi mangiano i pesci più piccoli. Finalmente, uccelli marini come le pulcinelle di mare banchettano con queste macchie di pesce. Se qualcosa stava cambiando le quantità o la distribuzione del fitoplancton, potrebbe innescare una reazione a catena che potrebbe colpire gli uccelli.

Avere un AUV intelligente che può essere programmato per cercare patch di fitoplancton "è un completo punto di svolta, "dice Geir Johnsen, un biologo NTNU sta collaborando al progetto. I risultati del tour di Harald nelle acque al largo di Runde sono stati recentemente riportati in Robotica scientifica .

Grandi aree di ignoto, e chiazze concentrate di fecondità

I biologi marini affrontano un problema fondamentale. L'oceano è profondo, ampio e generalmente poco compreso. Alcune aree sono più interessanti di altre, soprattutto il piccolo, aree concentrate che brulicano di vita, come le acque costiere o i luoghi in cui si incontrano le correnti. Per fare il loro lavoro, i biologi devono capire quali fattori rendono fertili alcuni tratti di oceano mentre altri no.

I biologi descrivono questa situazione come, bene, "irregolarità, " ha detto Fossum. La frammentarietà del fitoplancton è correlata a una serie di diverse interazioni biofisiche, come le correnti, turbolenza e mescolanza, e processi biologici, come quante altre creature stanno mangiando il fitoplancton.

"Ciò significa che è una domanda molto difficile capire cosa controlla la frammentarietà di questi organismi nell'oceano, " disse Foss.

Anche se ti trovi in ​​un posto che è noto per essere un punto caldo, la frammentazione può rendere difficile quantificare con precisione gli organismi marini nell'area, soprattutto se stai prelevando campioni da una nave da ricerca, dice Glaucia Fragoso, un postdoc presso il Dipartimento di Biologia della NTNU che era in crociera con Fossum.

"Se lasciamo cadere il nostro campionatore nel posto sbagliato, possiamo sottocampionare e sottostimare i numeri di fitoplancton, " ha detto. "O se lasciamo cadere il nostro campionatore proprio nel mezzo di una patch, possiamo sopravvalutare".

Perché le patch sono dove sono?

Questo è ciò che rende il campionamento adattivo di Harald, l'AUV, così unico, disse Fragoso. Data una zona da esplorare, può creare una mappa 3D delle macchie di fitoplancton. E sapere dove sono i cerotti consente agli scienziati di studiare altre caratteristiche di quell'area in modo da capire meglio perché i cerotti sono dove sono.

"La concentrazione (fitoplancton) è lì a causa della salinità?" disse Fossum. "Forse il fitoplancton è concentrato lungo uno strato di temperatura o salinità, o forse c'è qualche altro effetto fisico che li tiene dove sono?"

Sapere dove e perché il fitoplancton si aggrega e si raggruppa in modi diversi può aiutare a rispondere alle domande sulle creature che dipendono dall'oceano per il cibo, come gli uccelli marini di Runde.

Gli uccelli marini in genere nidificano in aree in cui hanno facile accesso al cibo, poiché devono nutrire se stessi e i loro pulcini, pure. Quindi, calcolando le quantità di fitoplancton e dove si trovano, in combinazione con altre misurazioni, può aiutare a spiegare le tendenze più ampie nelle popolazioni di uccelli marini.

Campionamento adattivo per maggiori dettagli

Harald è stato programmato con un cervello sofisticato e dotato di uno speciale dispositivo di misurazione chiamato ECOpuck annidato nella sua parte posteriore. Quando Fossum lo rilasciò nell'acqua quel giorno di giugno, Harald vagherebbe nelle profondità dell'oceano in un'area delimitata da una scatola di 700×700 metri, raccogliere informazioni per creare una mappa tridimensionale del fitoplancton.

L'ECOpuck in realtà non misura il fitoplancton stesso, ma qualcosa chiamato clorofilla una fluorescenza. Il fitoplancton utilizza la clorofilla a pigmenti nel processo di fotosintesi, e la sostanza emette una fluorescenza rossa quando esposta alla luce. L'ECOpuck rileva la fluorescenza, che può indicare quanta biomassa di fitoplancton si trova nell'acqua.

All'inizio del viaggio dell'AUV, prende le misurazioni sui lati della scatola e poi ingrandisce gradualmente l'area delineata dalla scatola mentre rileva la regione che sembra avere più clorofilla a, dice Fossum.

"Inscatola in un volume d'acqua e in base a ciò che vede, stima cosa c'è dentro, " ha detto. "Poi pianifica un percorso per l'interno e crea una mappa della regione più interessante. Quello che voglio davvero da questo è una mappa accurata, con la precisione dove è più necessaria, dove l'aggregazione del plancton è alta."

I ricercatori hanno anche fatto affidamento su altri metodi di campionamento per raccogliere ancora più informazioni sul plancton intorno a Runde, inclusa una fotocamera speciale che ha scattato foto del singolo plancton, e li ha contati e identificati automaticamente per aiutare a verificare i risultati dell'AUV.

Un futuro per navi e AUV

Nonostante il successo dell'AUV, Fossum e altri spiegano che i biologi hanno ancora bisogno di raccogliere informazioni da altre fonti, come le crociere di ricerca a bordo dell'R/V Gunnerus.

"L'oceanografia si sta muovendo verso sforzi combinati per raccogliere dati, dove il campionamento robotico è una parte essenziale, fornendo capacità e risoluzioni prima irraggiungibili con i metodi tradizionali, " Fossum ha detto. "L'obiettivo finale è misurare efficacemente l'impatto del cambiamento climatico nell'ecosistema, Per esempio."

Fossum afferma che è necessario un monitoraggio molto più persistente delle coste norvegesi, aree marine protette, e fragili habitat.

"L'obiettivo è alla fine automatizzare molto di più di questo lavoro, ma non miriamo a sostituire le navi, sono ancora vitali in questo sforzo, " Egli ha detto.

Il mistero rimane

Da parte sua, Fragoso vede il valore di avere un AUV come Harald per aiutare a individuare dove lei e altri biologi dovrebbero condurre un campionamento più dettagliato.

"Il fitoplancton non è facile da campionare perché risponde costantemente a un ambiente in continua evoluzione, " ha detto. "Questo ci fornisce molte informazioni aggiuntive su come si verifica il fitoplancton nella colonna d'acqua. E più informazioni abbiamo, meglio è."

Quanto al mistero degli uccelli su Runde, Fossum e Johnsen affermano che gli scienziati devono fare più ricerche per un periodo più lungo. Per esempio, il momento della disponibilità del cibo è molto importante sia per i pesci che per gli uccelli.

"Gli uccelli hanno bisogno di trovare cibo soprattutto quando i loro pulcini stanno covando, e il pesce deve essere della giusta specie e dimensione affinché gli uccelli marini sopravvivano, " dice Johnsen. "Il cambiamento climatico e l'inquinamento stanno rapidamente alterando le condizioni dell'ecosistema marino, e dobbiamo saperne di più".

"Abbiamo scattato un'istantanea di quella zona, che ci dice qualcosa sull'ecosistema attuale in quel momento, " Ha aggiunto Fossum. "Ma dovremo tornare indietro e ottenere un'altra istantanea per rilevare i cambiamenti e identificare le potenziali cause per dire qualcosa sul motivo per cui gli uccelli stanno diminuendo".