Plankton i tropiske have - vigtige veje i fødenettet

Vi har valgt at koncentrere vores forskning i emner omkring udvalgte grupper af organismer, og vi benytter os af en række forskellige metoder der både omfatter opmålinger med teknisk udstyr, indsamling af organismer og eksperimentelle forsøg.  Hvert af emnerne vil give os ny viden om hvordan økosystemet fungerer i  tropiske områder, men herudover vil arbejdet bidrage til den generelle forståelse for den biologiske omsætning i havene.  

Emnerne er følgende 1) Områdets oceanografi 2) Betydningen af UV stråling for dybdefordelingen af plankton 3) Pico-plankton 4) Marin sne og appendikularier 5) Dyreplankton og 6) Fiskelarvers rolle. (emnerne er beskrevet næremere i underpunkter her til højre)>>>

Vores indsamling foregår hovedsagligt langs et snit ud for byen Broome ved nord-Australien (vist med rød streg på billedet her til højre)>>>>>

Dette snit dækker forskellige oceanografiske og biologiske miljøer, og vi vil koncentrere os om et front-påvirket område, ved ca. 60 m vanddybde, et område hvor kontinent-skrænten starter, ved ca. 200 m vanddybde, og et oceanisk område længst ude fra kysten, ved stor vanddybde. Over undersøgelsens ca. 10 døgn vil vi besøge en række stationer på snittet og ved hver af disse gennemføre en lang række indsamlinger og opmålinger.

Områdets oceanografi

Physical Oceanography of the Western Australian Shelf.

Leeuwin Current.

The mid latitude oceans lying off the west coast of continents are extremely productive. The classic example is off the coast of Peru and Chile; other examples include the waters off Namibia, California and Portugal; and so too Western Australia. In most of these cases, the primary driver of this productivity is wind driven upwelling. Eastward trade-winds at these latitudes drive warm waters off shore bring deep, nutrient rich waters to the surface so fueling the growth of phytoplankton. This, however, is not the mechanism driving production on the west Australian shelf. Western Australia is unique in this sense, in that it is the only example in the world where there is a persistent pole-ward eastern boundary current, carrying warm tropical waters towards the southern ocean. This is the Leeuwin Current. It is driven not by winds, but by density differences: warm and relatively fresh (i.e. light) water in the north and cold, salty (i.e. heavier) water in the south. These warm waters flow southward over the cooler saltier deep counter current flowing northward. This flow more than overwhelms the ability of the trade winds to bring deep waters up towards the surface.

Internal Waves:

So where does the energy come from to stimulate the observed primary production? One likely candidate is mixing mediated by internal waves. It is known that up to 30% of the worlds tidal energy goes into internal waves; transporting this energy thousands of kilometers from where it was “removed” from the tide, to where it finally dissipates in turbulent mixing. The attached figure shows regions where tides loose energy; in those areas away from coasts (Madagascar Plateau, Kerguelen Rise, South West Indian Ridge, and the North West Australian shelf) this energy is lost to internal waves. Similar transfers of energy to internal waves occur in the same locations from wind driven currents. Internal waves are generated wherever there is a flow over a bathymetric feature; (a sea mount, or ridge for instance), and where there is a change in water density with depth (i.e. stratified). Provided the oceans remains stratified, these internal waves can travel vast distances, bouncing from surface to bottom, with very little loss of energy. That is, at least, until very special conditions are met. Depending on how the water column is stratified and the frequency at which the internal waves are generated, there is critical bottom slope where all of the energy of the wave becomes focused into a very small volume. This causes the wave to break, generating turbulence, and mixing deep nutrient rich waters into the surface of the ocean. This is thought to happen along the coast of Western Australia. There are indeed internal waves observed there from satellites (see opposite) in this area. The question we seek to address is, are these persistent and important in biological processes that play out on the Western Australian shelf.

Betydning af UV-stråling

Ultra-Violet-stråling er lys med meget kort bølgelængde. Det er, som navnet siger, lidt ’på den anden side af violet eller blåt lys’, som er de korteste bølgelængder vi kan se med øjnene. Synligt lys har bølgelængder fra 700 nm (rødt lys) og ned til 400 nm (blåt lys). UV-stråling har bølgelængder mellem 400 og 280 nm.

Lys kommer som kvanter eller fotoner, og jo mindre bølgelænge jo mere energi er der i en foton. Når lys rammer et stof, fx et stort organisk molekyle, vil energien fra fotonen overføres til molekylet og i nogle tilfælde få det til at gå i stykker. Det kender vi fx fra gardiner i som bleges af sollys. Da fotonerne i UV-lys indeholder meget energi, kan de nemmere end synligt lys få organiske molekyler til at gå i stykker. Er molekylet som går i stykker fx et DNA-molekyle i en levende celler opstår der skader på cellen. Det kender vi alle når vi har fået for meget sol – huden går i gang med at reparere skadet på DNAet og skifte de celler ud som er helt døde.

UV-stråling er et livsvilkår for alt levende – faktisk gik udviklingen af liv på jorden først rigtig i gang da de var dannet så meget ozon – som absorberer UV-stråling – øverst i atmosfæren at UV-strålingen kom ned på et rimelig lavt niveau. De aller fleste organismer beskytter sig mod UV-stråling ved at være farvede, dvs. de har farvestoffer i huder/på overfladen som absorberer lys inklusive UV-stråling. Igen kan vi kigge på vores egen art, mennesket, for at se hvordan UV-stråling har påvirket vores udseende – racer som lever omkring ækvator har flere pigment end os nordboere. Ulempen ved at været farvet er at man bliver synlig. Det er især en ulempe hvis man eller lille, fx en vandloppe, og konstant lever med muligheden for at blive spist af fx en fisk. Derfor er mange vandlopper helt gennemsigtige og derfor nærmest usynlige i vandet. Spørgsmålet er så hvordan de undgår at deres celler bliver skadet af UV-stråling? Specielt i troperne, hvor der er rigtig meget UV-stråling fordi solen står så højt på himlen. Det fører til nogle af de centrale spørgsmål for denne del af projektet: Hvad betyder UV-stråling for planktonorganismer fordeling i vandsøjlen? Hvad betyder UV-stråling for deres vækst og overlevelse og hvordan beskytte de sig mod UV-stråling?

I tropiske have er der rigtig meget UV-stråling i vandet. Både fordi solen står højt på himlen og der derfor er meget UV-stråling som rammer havoverfladen, men faktisk i endnu højere grad fordi tropisk have indeholder meget lidt humusstof – store brune molekyler dannet fra døde planter som absorberer UV-lys (se projektet ’Opløst organisk stof’ som er med på Galathea fra start til slut). Det er derfor overraskende at vi i tropiske have ofte finder mange planktonorganismer tæt ved overfladen, organismer som i mange tilfælde er helt gennemsigtige – hvordan undgår vandlopper og fiskelaver i troperne at blive solskoldet?

Fiskelarvers rolle i fødenettet

Æg og larver fra de marine fisk er ofte ganske små, og i de tidlige larve-stadier indgår fiskene i plankton-økosystemet. Fiskelarverne er derfor, som andre plankton organismer, meget afhængige af vandets karaktertræk (hydrografien) og af økosystemets produktivitet. Med en forståelse for fiskelarvernes position i økosystemet og hydrografiens indflydelse på deres overlevelse vil vi få bedre muligheder for at forstå udsvingene i fiskebestandene, og dermed vil vi få bedre muligheder for at udnytte disse på en skånsom måde

Tidligere undersøgelser af fiskelarvernes fordeling fra kysten og ud mod det åbne hav har vist at hver fiskeart har sin største forekomst ved bestemte hydrografiske forhold. Da hydrografien også ændrer sig ned gennem vandsøjlen er det sandsynligt at arterne også placerer sig forskelligt i vandsøjlen, og at vi kan finde flere arter når der er en meget varieret hydrografi. En forståelse for den fysiske adskillelse mellem de enkelte arter vil give os indblik i baggrunden for den aktuelle sammensætning af arter og deres etablering af nicher. I vores undersøgelses område er der en stor variation i hydrografi, hvor der er etableret overgangs-zoner (fronter) mellem forskellige vandmasser, og hvor der passerer interne bølger der påvirker fordelingen af organismerne.

Dybdefordeling og mikro-patchiness af fiskelarver.

Vi baserer denne undersøgelse på fangst af larver og andre plankton organismer med et åbne-lukke-net der kan indsamle i afgrænsede områder af vandsøjlen og som udstyres med hydrografisk måleudstyr. Samtidig foretager vi også strøm- og akustiske- målinger fra skibet. Indsamlingen vil foregå hen over den hydrografiske front, samtidigt med at passagen af interne bølger påvirker de fysiske forhold i vandsøjlen

Fiskelarvers biology, ernæring og rolle i fødenettet – med særligt fokus på leptocephalus larver

Vi baserer denne del af undersøgelsen på indsamling af fiskelarver og zoo-plankton med store, fin-maskede net. Med disse net håber vi at få samlet store prøver af larver der dækker hele størrelses-spektret fra få millimeter til flere centimeter. Vi vil beskrive arts-forskellene mellem kystnære og oceaniske områder, og for de almindeligste arter vil vi undersøge de vigtigste biologiske forhold såsom fødeoptagelse og vækst. Vi har særligt fokus på larver af ordenen Anguilliformes  (åle-ordenen) der har et karakteristisk leptocephalus stadie og er en væsentlig del af fiskelarve faunaen i mange tropiske farvande, men som man ikke ved så meget om. Maveundersøgelser på leptocephalus larverne har ikke kunnet vise hvad der er deres foretrukne føde, og for at undersøge energiens vej gennem fødenettet vil vi bruge en række nye teknikker og se på potentielle fødeorganismer der måske tidligere har været overset.

Marin sne og appendikularier

Havets mikroskopiske planktonalger binder atmosfærens kuldioxid. En del af den bundne kuldioxid transporteres af den ’biologiske pumpe’ til havbunden og fjernes således fra atmosfæren. En vigtig komponent i den biologiske pumpe er ’marin sne’, mm-cm store, hurtigt synkende aggregater bestående mikroskopiske alger og andet planktonisk materiale. Marin sne dannes bl.a. af halesøpunge, som er vidt udbredte planktonorganismer der filtrerer det omgivende vand for fødepartikler igennem et meget stort slimfilter. Stoppede filtre udskiftes mange gange om dagen, og det afkastede, sammenklappede filter med påhæftede småpartikler er i visse områder den vigtigste kilde til marin sne. De synkende ”snefnug” koloniseres af mikroorganismer og zooplankton, der æder de fasthæftede organiske partikler. Processen har stor betydning for nedbrydning af aggregaterne, og dermed for effektiviteten af den biologiske pumpe, men den er kun meget utilstrækkeligt undersøgt, først og fremmest p.gr.a. tekniske besværligheder.

Det tropiske havområde ud for den Australske vestkyst vil være et godt undersøgelsesområde for denne problematik idet der her formodentlig er rige bestande af såvel halesøpunge som partikel-koloniserende zooplankton. Vi vil forsøge at observere processerne direkte i havet ved hjælp af et særligt undervandsmikroskop, ligesom vi vil videofilme de mikroskopiske processer om bord på Vædderen i intakte planktonsamfund indsamlet med en specialbygget vandhenter. På Vædderen vil vi måle halesøpungenes græsning og produktion af snefnug, og udsætte en bøje med monterede sedimentfælder, hvor vi direkte kan måle regnen af marin sne i havet.  

Betydning af pico-plankton

Pikoplanktonalger, dvs. organismer der er mindre end 0.002 mm, er en meget stor del af algerne  i de åbne have (ca. 75% af biomassen). De har derfor meget stor betydning for den primære produktion af stof

Ved hjælp af en metode der hedder flowcytometri vil vi undersøge forekomst af organismer i denne størrelse (<0.002 mm), dvs. bakterier og fotoautotrofe grupper,. Med baggrund i bl.a. fluorescens deler vi dem i cyanobakterier og eukaryoter. Herudover vil vi bruge molekylære teknikker til at få noget at vide om diversiteten inden for gruppen og om hvilke der er de mest dominerende. 

I subtropiske og tropiske oceaner lever nogle piko-planktoniske cyanobakterier sammen med dinoflagellater i såkaldte konsortier. Selvom disse har været kendt i over hundrede år er viden om deres udbredelse og  betydning meget begrænset. Det har været foreslået, at de piko-planktoniske cyanobakterier kan binde frit kvælstof og at dinoflagellaterne, som selv mangler grønkorn, lever  af det organiske stof som tabes fra cyanobakterierne. Kiselalgerne, der har grønkorn, kan drage fordel af en tilførsel af kvælstof. En yderligere fordel kan være, at cyanobakterierne gør at dinoflagellaten bedre kan flyde.  Under Galathea 3 togtet vil vi undersøge  dybdefordeling og fotosyntese for disse konsortier, samt måle deres vækstrater og N₂-fiksering.

Vandloppers rolle

Vandlopper (copepoder) dominerer mesozooplanktonet (dvs. dyreplankton > 200 µm) og har en central rolle i fødenettet i havets frie vandmasser. De græsser på planteplankton og udgør selv en væsentlig fødekilde for fiskeyngel. Samtidig er vandlopper vigtige da deres store hurtigt synkende fækalier repræsenterer et væsentligt element i bundfældelsen af organisk materiale (Figur 1).

Set fra et fiskeri- eller miljøforvaltningsmæssigt synspunkt er det vigtigt at forstå, hvor og hvornår den klassiske græsningsfødekæde dvs. vandlopperne hhv. det mikrobielle fødenet dominerer omsætningen af primærproduktionen, idet den korte græsningsfødekæde i stor udstrækning er synonym med en stor produktion af fiskeføde og høj bundfældning, mens de mikrobielle processer i større udstrækning recirkulerer næringssaltene i den øvre del af de frie vandmasser.

I tropiske havområder er planteplanktonnet domineret af små former (pikoplankton < 2 µm), som er for småt til at vandlopperne kan æde det direkte. I sådanne områder er vandlopperne afhængige af, at den mikrobielle løkke gør primærproduktionen tilgængeligt for dem (se figur under den overordnede projektbeskrivelse). Den absolutte betydning af den mikrobielle løkke kan variere, men uanset hvad, bidrager den med et tilskud til produktionen på de højere trofiske niveauer.

Under Galathea-3 vil vi studere vandloppernes rolle i fødenettet med en række forskellige metoder (Figur 2). Herunder måling af A) Clearance, som er det vandvolumen vandloppen tømmer for plankton per tidsenhed,  B) Tarmflouroscens, hvor vandloppens indhold af klorofyl måles og vha. tarmtømningshastigheden omregnes til en græsnings rate og C) Udfra produktionen af æg eller fækaliepiller der ligeledes under en række antagelser kan omregnes til græsnings og produktions rater.

Disse målinger vil tilsammen gøre det muligt at opstille en model for vandloppernes placering og rolle i fødenettet i de frie vandmasser i det undersøgte tropiske havområde.