Slik ser en kunstner for seg undervannsropboten Harald i havet, mens den er på utkikk etter planteplankton i havet. (Illustrasjon: David Fierstein og Arild Hareide)
Slik ser en kunstner for seg undervannsropboten Harald i havet, mens den er på utkikk etter planteplankton i havet. (Illustrasjon: David Fierstein og Arild Hareide)

Smart undervannsrobot leter etter plankton

Planteplankton er notorisk vanskelig å telle, litt som å prøve å telle støvpartikler i lufta. Nå kan en selvgående undervannsrobot gjøre jobben.

Published

Roboten er oppkalt etter den norske havforskeren Harald Sverdrup. Den skal samle inn informasjon på nye måter slik at forskerne kan lage et 3D-kart over steder med mye planteplankton.

Plankton er de små encellete algene som er selve grunnlaget i næringsnettverket i havet.

Den mikroskopiske størrelsen deres, og tendensen til å hope seg opp i bestemte områder, har tidligere gjort det nesten umulig for biologer å samle inn presis informasjon om dem.

Roboten er blitt programmert til å tenke underveis, ta egne vurderinger på stedet der planteplanktonet har samlet seg og velge sin egen strategi.

Dette for å samle inn mer relevant informasjon på kortere tid med høy oppløsning.

Forskere kaller dette adaptiv prøvetaking. 3D-kartene som blir laget på bakgrunn av denne informasjonen kan igjen gi viktige spor om hvorfor fuglepopulasjonene rundt øya Runde på Sunnmøre faller.

Dyreplankton spiser planteplankton. Småfisk spiser dyreplankton. Større fisk spiser den mindre fisken. Øverst i næringskjeden gasser havfugler i seg fiskestimene. Hvis noe endrer mengden eller fordelingen av planteplankton, kan det sette i gang en kjedereaksjon som til sist kan påvirke fuglene.

Resultatene fra Haralds turer i vannet ble nylig rapportert i det vitenskapelige tidsskriftet Science Robotics.

Ikke like mye alger overalt

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 interessante, 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, sier Trygve Olav Fossum, forsker ved NTNU.

Fordelingen 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.

– Disse faktorene gjør at det er veldig vanskelig å finne ut hva som styrer konsentrasjonene av planteplanktonet i havet, sier Fossum.

– 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, forsker ved NTNUs Institutt for biologi.

– 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.

Harald på jakt etter planteplankton. (Foto: Trygve Fossum, NTNU)
Harald på jakt etter planteplankton. (Foto: Trygve Fossum, NTNU)

Kan være viktig for sjøfuglene

Det er dette som gjør undervannsroboten Harald så unik, mener Fragoso.

Når den utforsker et område, kan den i etterkant lage et 3D-kart over konsentrasjoner 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 hvor mye salt som er vi vannet? spør Fossum.

– Kanskje er planteplanktonet konsentrert langs en temperatur- eller saltholdighetsgradient, eller kanskje er det en annen fysisk effekt, som for eksempel 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.

Lundefugler på Runde på tidligsommeren. Bestanden har gått kraftig ned de siste årene. (Foto: Rick Strimbeck, NTNU)
Lundefugler på Runde på tidligsommeren. Bestanden har gått kraftig ned de siste årene. (Foto: Rick Strimbeck, NTNU)

Skip og roboter hand i hand

Til tross for robotens suksess mener Fossum at det ikke vil fullt ut erstatte målinger tatt fra skip.

– 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.

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)
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)

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.

– Planteplankton er simpelthen vanskelig fordi det stadig reagerer på et 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. 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.

Klimaendringer og forurensning endrer nemlig forholdene i det marine økosystemet raskt.

– 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.

Referanse:

Trygve O. Fossum m.fl: Toward adaptive robotic sampling of phytoplankton in the coastal ocean. Science Robotics, februar 2019. DOI: 10.1126/scirobotics.aav3041. Sammendrag.

Slik funker undervannroboten i detalj

Harald ble programmert med en sofistikert hjerne og utstyrt med en spesiell måleanordning kalt en ECOpuck som måler konsentrasjon av alger.

ECOpucken måler ikke egentlig planteplanktonet selv, men noe som kalles klorofyll a-fluorescens. Planteplankton bruker dette i fotosyntese. Stoffet fluorescerer, eller lyser, rødt når det blir utsatt for lys. ECOpuck måler denne fluorescensen, som igjen viser hvor mye planteplankton som finnes i vannet.

Ved starten av turen tar den målinger langs ytterkantene av en boks på 700x700 meter. Deretter zoomer den seg gradvis innover etter hvert som den finner ut hvilken del av boksen som har mest klorofyll a, forklarer forsker Trygve Olav 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.

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 undervannsroboten.