Smart AUV kartlegger planteplankton
Planteplankton er notorisk vanskelig å telle, litt som å prøve å telle støvpartikler i lufta. Nå kan en selvgående undervannsrobot (AUV) gjøre jobben.
Trygve Olav Fossum så et oransje, torpedoformet instrument gli av R/V «Gunnerus» og ned i vannet nær øya Runde.
Dette var i juni 2017 og Fossum, som er doktorgradskandidat ved NTNU, var en del av et team av forskere som forsøkte å finne svar på et bekymringsfullt problem.
Runde er kjent for sine store sjøfuglbestander, blant annet av lundefugler og havsuler. I de senere årene har bestandene her og i store deler av Nord-Atlanteren falt kraftig.
Harald på jakt etter planteplankton. Foto: Trygve Fossum, NTNU
Ingen vet helt hvorfor.
Som et første skritt i letingen etter spor samlet NTNU-forskere et tverrfaglig team av geologer, biologer, matematikere, dataspesialister og ingeniører som Fossum. Hans 2 meterlange, autonome undervannsfartøy (AUV) bidro til en av de mest uvanlige bitene med informasjon fra «Gunnerus»’ ukelange undersøkelse.
Flinkere til å telle
Fossums AUV er oppkalt etter den norske havforskeren Harald Sverdrup. Den skulle samle inn informasjon på nye måter slik at forskerne kunne lage et 3D-kart over steder med mye planteplankton.
Dette er de små encellete algene som er selve grunnlaget i næringsnettverket i havet. Den mikroskopiske størrelsen deres, og tendensen til å konsentrere seg i bestemte områder, har tidligere gjort det nesten umulig for biologer å samle inn presis informasjon om dem.
AUVen ble programmert til å tenke underveis, ta egne vurderinger på stedet der planteplanktonet samlet seg og velge sin egen strategi for å fokusere data innhentingen. Dette for å samle inn mer relevant informasjon på kortere tid med høy oppløsning. Forskere kaller dette «adaptiv prøvetaking». 3D-kartene som ble laget på bakgrunn av denne informasjonen kan igjen gi viktige spor om hvorfor fuglepopulasjonene rundt Runde faller.
Saken fortsetter under bildet.
Lundefugler på Runde på tidligsommeren. Bestanden har gått kraftig ned de siste årene. Foto: Rick Strimbeck/NTNU
Dyreplankton spiser planteplankton. Småfisk spiser dyreplankton. Større fisk spiser den mindre fisken. Øverst i næringskjeden gasser havfugler som lundefugler seg i fiskestimene. Hvis noe endrer mengden eller fordelingen av planteplankton, kan det sette i gang en kjedereaksjon som til sist kan påvirke fuglene.
– Å ha en smart AUV som kan programmeres til å søke etter og måle konsentrasjoner av planteplankton endrer alt og gir oss nye muligheter til å generere kunnskap, kartlegge og overvåke havet på, sier professor Geir Johnsen, biolog fra NTNU og del av prosjektet.
Resultatene fra Haralds turer i vannet utenfor Runde ble nylig rapportert i Science Robotics.
Kartet viser typisk båtaktivitet ved Runde, indikert med pilen.
- Les også: ROV-drift på havbunnen
Konsentrasjoner av algeoppblomstringer
Marinbiologer står overfor et grunnleggende problem. Havet er dypt, stort og generelt dårlig forstått. De små, konsentrerte områdene med mye liv er av de meste interesse, for eksempel i kystfarvann eller steder der havstrømmer møtes.
– Biologer jobber med å forstå hvilke faktorer som gjør at noen områder i havet er fruktbare mens andre ikke er det.
Distribusjonen av planteplankton har sammenheng med en rekke forskjellige biofysiske egenskaper, for eksempel strøm og turbulens, og biologiske prosesser som hvor mange andre skapninger som spiser planteplanktonet. Biologene beskriver dette som, vel, «patchiness», sier Fossum.
– Disse faktorene gjør at det er veldig vanskelig å finne ut hva som styrer konsentrasjonene av planteplanktonet i havet, sier Fossum.
Nærbilde av Ceratium spp. Disse er blant algene som studeres ved Runde. Foto: NTB Scanpix Science Photo Library
– Selv om du er på et sted som tilsynelatende har høy tetthet av mikroorganismer, kan den flekkvise distribusjonen gi deg et helt annet svar. Spesielt hvis du tar prøver fra en forskningsbåt, sier Glaucia Fragoso, postdoktor ved NTNUs Institutt for biologi. Hun var med på toktet med Fossum.
– Hvis vi undersøker på feil sted, kan vi måle lav tetthet og undervurdere mengden planteplankton, sier hun. – Eller vi kan overvurdere om vi tar prøver direkte i et område med høy konsentrasjon.
Hva styrer algebiomasse?
Dette er det som gjør den adaptive innsamlings-algoritmen fra AUVen Harald så unikt, mener Fragoso.
Når den utforsker et område, kan den i etterkant lage et 3D-kart over konsentrasjoner (biomasse) av planteplankton. Ved å vite hvor disse er, kan forskerne ta hensyn til dette når de gjør påfølgende målinger.
– Er planteplanktonet samlet på et sted på grunn av saltholdigheten? sier Fossum. – Kanskje er planteplanktonet konsentrert langs en temperatur- eller saltholdighetsgradient, eller kanskje er det en annen fysisk effekt (som havstrømmene) som holder dem der de er?
Å vite hvor og hvorfor planteplankton klynger seg på forskjellige måter kan bidra til å svare på spørsmål rundt skapninger som er avhengige av havet for mat, som sjøfuglene på Runde. Sjøfugl hekker vanligvis i områder der de har lett tilgang til mat, siden de må skaffe mat til seg og ungene. Å finne fordelingen av planteplankton i kombinasjon med andre målinger, kan bidra til å forklare større endringer i sjøfuglpopulasjonene.
Lundefugl på Runde. Farvannet rundt øya brukte å være fullt av mat. Foto: Rick Strimbeck, NTNU
Adaptiv prøvetaking for mer detalj
Harald ble programmert med en sofistikert hjerne og utstyrt med en spesiell måleanordning kalt en ECOpuck som måler algebiomasse. Da Fossum slapp den ut i vannet den junidagen, skulle Harald streife omkring i havets dyp i et område avgrenset av en boks på 700×700 meter. Innenfor denne boksen skulle den samle inn informasjon for å lage et 3D-kart over planteplanktonet.
ECOpucken måler ikke egentlig planteplanktonet selv, men noe som kalles klorofyll a-fluorescens. Planteplankton bruker klorofyll a i fotosyntese. Stoffet fluorescerer rødt når det blir utsatt for lys. ECOpuck måler denne fluorescensen, som igjen indikerer hvor mye planteplankton som finnes i vannet.
Ved starten av turen tar den målinger langs ytterkantene av boksen. Deretter zoomer den seg gradvis innover etter hvert som den finner ut hvilken del av boksen som har mest klorofyll A, forklarer Fossum.
– Basert på målingene estimerer den innholdet av planteplankton i boksen. Så planlegger den en rute for bevegelsene på innsiden og lager et kart over den mest interessante regionen. Det jeg egentlig vil ha fra dette er et nøyaktig kart, med størst nøyaktighet der det er mest nødvendig – der hvor planktonkonsentrasjonen er høy.
Slik ser en kunstner for seg Harald i havet, mens den måler innholdet av klorofyll A som en indikasjon på planteplankton. Illustrasjon: David Fierstein og Arild Hareide
Forskerne brukte også andre prøvetakingsmetoder for å samle inn informasjon om planktonet rundt Runde. Det inkluderte et spesielt kamera som tok bilder av individuelt plankton, og telte og identifiserte dem automatisk for å verifisere resultatene fra AUVen.
Skip og roboter hand i hand
Til tross for AUVens suksess mener Fossum at det ikke vil fullt ut erstatte målinger tatt fra skip– som R/V «Gunnerus».
– Oseanografi vil basere seg på å samle inn data fra ulike kilder. Prøvetaking fra roboter blir en viktig del som gir muligheter og en oppløsning som ikke var mulig med tradisjonelle metoder, sier Fossum.
Det endelige målet er for eksempel å måle virkningen klimaendringer har på økosystemet på en enkel måte.
Fossum sier vi trenger grundigere overvåkning av kysten, beskyttede havområder og skjøre habitater.
– Målet er etter hvert å automatisere mye mer av dette arbeidet. Men vi kan ikke erstatte skip. De er fortsatt viktige, sier han.
- Les også: Hvordan høres det ut nedi havdypet?
Mysteriet gjenstår
For hennes egen del ser Fragoso verdien av å ha en AUV som Harald for å hjelpe til med å finne ut hvor hun og andre biologer skal ta mer detaljerte prøver.
Forskerteamet på Runde. Fra venstre: Emlyn Davies (bak), Jørgen Strømsholm (bak), Trygve Olav Fossum (bak), Glaucia Fragoso (foran), Martin Ludvigsen (foran), Kristbjörg Edda Jónsdóttir og Asgeir Sørensen (direktør for AMOS). Foto: Geir Johnsen, NTNU
– Planteplankton er simpelthen vanskelig fordi det stadig reagerer på et stadig skiftende miljø, sier hun. – Men dette gir oss mye mer informasjon om hvor planteplanktonet er i vannsøylen. Og jo mer informasjon vi har, desto bedre.
Når det gjelder fuglemysteriet på Runde, sier Fossum og Johnsen at det må forskes over en lengre perioder. Tids-serier er viktige her. For eksempel er timingen av mattilgjengeligheten svært viktig for både fisk og fugler.
– Fugler må finne mat i den rette perioden, spesielt når ungene har klekket, og fisken må være den rette arten og størrelsen for at sjøfuglene skal overleve, sier Johnsen. – Klimaendringer og forurensning endrer forholdene i det marine økosystemet raskt, og vi må vite mer.
– Vi tok et øyeblikksbilde av dette området, som forteller oss noe om økosystemet på akkurat det tidspunktet, tilføyer Fossum. – Men vi må dra tilbake senere og få et nytt øyeblikksbilde for å oppdage endringer og identifisere mulige årsaker som kan si noe om hvorfor det blir færre fugler og fisk da alt dette henger sammen i et kompleks biologisk nettverk som igjen påvirkes av mange miljøvariable, inkludert menneskeskapte.
Se på video med Haralds bror Fridtjof på tokt rundt Runde: https://youtu.be/5D09-B00dPI
Kilde: Toward adaptive robotic sampling of phytoplankton in the coastal ocean. Trygve O. Fossum, Glaucia M. Fragoso, Emlyn J. Davies, Jenny E. Ullgren, Renato Mendes, Geir Johnsen, Ingrid Ellingsen, Jo Eidsvik, Martine Ludvigsen and Kanna Rajan. SCIENCE ROBOTICS 13 FEB 2019 Vol. 4, Issue 27, eaav3041 DOI: 10.1126/scirobotics.aav3041
