Le phytoplancton forme la base de la chaîne alimentaire marine, mais il est notoirement difficile à expliquer pour les scientifiques, un peu comme essayer d'identifier et de compter les grains de poussière dans l'air. Un véhicule sous-marin vraiment indépendant montre qu'il peut faire le travail.

Trygve Olav Fossum a regardé une orange, un instrument en forme de torpille glisse du R/V Gunnerus et se jette dans les eaux côtières près de l'île appelée Runde. C'était en juin 2017 et Fossum, un doctorant à l'Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU), faisait partie d'une équipe de chercheurs essayant de trouver des réponses à un problème épineux.

Runde, une île en forme de triangle au large de la côte médio-norvégienne, est connu pour ses grandes populations d'oiseaux marins, y compris les macareux moines et les fous de Bassan.

Dans les années récentes, le nombre d'oiseaux ici et dans une grande partie de l'Atlantique Nord a chuté brutalement. Personne ne sait vraiment pourquoi.

Comme première étape dans leur recherche d'indices, Les chercheurs du NTNU avaient réuni une équipe interdisciplinaire de géologues, biologistes, mathématiciens, informaticiens et ingénieurs, comme Fossum, dont le véhicule sous-marin autonome (AUV) de deux mètres de long contribuerait à l'une des informations les plus inhabituelles de l'enquête d'une semaine du Gunnerus.

l'AUV de Fossum, du nom de l'océanographe norvégien Harald Sverdrup, recueillerait des informations qui permettraient aux scientifiques de dresser une carte en 3D des points chauds du phytoplancton. Ce sont les minuscules cellules algales unicellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Leur taille microscopique et leur tendance à se rassembler en taches ont rendu cette information presque impossible pour les biologistes dans le passé.

L'AUV a été programmé pour réfléchir sur le pouce — « voir » où se trouvait le phytoplancton, choisir son propre parcours pour zoomer sur les patchs d'une zone afin d'obtenir un meilleur échantillon. Les scientifiques appellent cela « l'échantillonnage adaptatif ». Les cartes 3D, à son tour, pourrait fournir des indices importants sur les raisons pour lesquelles les populations d'oiseaux autour de Runde étaient en chute libre.

Le zooplancton mange du phytoplancton. Les petits poissons mangent du zooplancton. Les plus gros poissons mangent les plus petits. Finalement, les oiseaux de mer comme les macareux se régalent de ces bancs de poissons. Si quelque chose changeait les quantités ou la répartition du phytoplancton, cela pourrait déclencher une réaction en chaîne qui pourrait affecter les oiseaux.

Disposer d'un AUV intelligent qui peut être programmé pour rechercher des parcelles de phytoplancton « change complètement la donne, " dit Geir Johnsen, un biologiste de NTNU collabore au projet. Les résultats de la tournée de Harald dans les eaux au large de Runde ont été récemment rapportés dans Robotique scientifique .

De vastes zones d'inconnu, et des taches concentrées de fécondité

Les biologistes marins sont confrontés à un problème fondamental. L'océan est profond, vaste et généralement mal compris. Certains domaines sont plus intéressants que d'autres, surtout le petit, des zones concentrées qui grouillent de vie, comme les eaux côtières ou les points de rencontre des courants. Pour faire leur travail, les biologistes doivent comprendre quels facteurs rendent certaines parcelles d'océan fertiles alors que d'autres ne le sont pas.

Les biologistes décrivent cette situation comme, bien, "imperfection, " a déclaré Fossum. La fragmentation du phytoplancton est liée à un certain nombre d'interactions biophysiques différentes, comme les courants, turbulence et mélange, et les processus biologiques, comme combien d'autres créatures mangent le phytoplancton.

"Cela signifie que c'est une question très difficile de comprendre ce qui contrôle la répartition de ces organismes dans l'océan, " a déclaré Fossum.

Même si vous êtes dans un endroit connu pour être un point chaud, l'inégalité peut rendre difficile la quantification précise des organismes marins dans la zone, surtout si vous prélevez des échantillons sur un bateau de recherche, dit Glaucia Fragoso, un post-doctorant au département de biologie de NTNU qui était en croisière avec Fossum.

"Si nous laissons tomber notre échantillonneur au mauvais endroit, nous pouvons sous-échantillonner et sous-estimer le nombre de phytoplancton, " dit-elle. " Ou si nous laissons tomber notre échantillonneur en plein milieu d'un patch, nous pouvons surestimer."

Pourquoi les patchs sont là où ils sont

C'est ce qui rend l'échantillonnage adaptatif de Harald, l'AUV, si unique, dit Fragoso. Étant donné une zone à explorer, il peut faire une carte 3-D des parcelles de phytoplancton. Et savoir où se trouvent les plaques permet aux scientifiques d'étudier d'autres caractéristiques de cette zone afin de mieux comprendre pourquoi les plaques sont là où elles se trouvent.

« La concentration (de phytoplancton) est-elle due à la salinité ? » dit Fossum. "Peut-être que le phytoplancton est concentré le long d'une couche de température ou de salinité, ou peut-être y a-t-il un autre effet physique qui les maintient là où ils sont ?"

Savoir où et pourquoi le phytoplancton s'agrège et se regroupe de différentes manières peut aider à répondre aux questions sur les créatures qui dépendent de l'océan pour se nourrir, comme les oiseaux marins de Runde.

Les oiseaux de mer nichent généralement dans des zones où ils ont un accès facile à la nourriture, puisqu'ils doivent se nourrir et nourrir leurs poussins, trop. Donc, déterminer les quantités de phytoplancton et où elles se trouvent, en combinaison avec d'autres mesures, peut aider à expliquer les tendances plus importantes des populations d'oiseaux marins.

Échantillonnage adaptatif pour plus de détails

Harald a été programmé avec un cerveau sophistiqué et équipé d'un appareil de mesure spécial appelé ECOpuck niché dans son dos. Lorsque Fossum l'a relâché dans l'eau ce jour de juin, Harald parcourrait les profondeurs de l'océan dans une zone délimitée par une boîte de 700 × 700 mètres, collecter des informations pour faire une carte 3-D du phytoplancton.

L'ECOpuck ne mesure pas réellement le phytoplancton lui-même, mais quelque chose appelé chlorophylle a fluorescence. Le phytoplancton utilise des pigments de chlorophylle a dans le processus de photosynthèse, et la substance émet une fluorescence rouge lorsqu'elle est exposée à la lumière. L'ECOpuck détecte la fluorescence, qui peut indiquer la quantité de biomasse phytoplanctonique trouvée dans l'eau.

Au départ du voyage de l'AUV, il prend des mesures sur les côtés de la boîte puis zoome progressivement sur la zone délimitée par la boîte au fur et à mesure qu'il détecte la région qui semble avoir le plus de chlorophylle a, dit Fossum.

"Il boxe dans un volume d'eau et en fonction de ce qu'il voit, il estime ce qu'il y a à l'intérieur, " dit-il. " Ensuite, il planifie un itinéraire pour l'intérieur et fait une carte de la région la plus intéressante. Ce que je veux vraiment de ceci, c'est une carte précise, avec la précision là où c'est le plus nécessaire, là où l'agrégation de plancton est élevée."

Les chercheurs se sont également appuyés sur d'autres méthodes d'échantillonnage pour collecter encore plus d'informations sur le plancton autour de Runde, y compris un appareil photo spécial qui a pris des photos de plancton individuel, et les a comptés et identifiés automatiquement pour aider à vérifier les résultats de l'AUV.

Un avenir pour les navires et les AUV

Malgré le succès de l'AUV, Fossum et d'autres expliquent que les biologistes ont encore besoin de recueillir des informations auprès d'autres sources, comme les croisières de recherche à bord du R/V Gunnerus.

"L'océanographie s'oriente vers des efforts conjugués de collecte de données, où l'échantillonnage robotisé est une partie essentielle, fournir des capacités et une résolution qui étaient auparavant inaccessibles avec les méthodes traditionnelles, " Fossum a déclaré. " L'objectif ultime est de mesurer efficacement l'impact du changement climatique dans l'écosystème, par exemple."

Fossum dit qu'il faut une surveillance beaucoup plus persistante des côtes norvégiennes, aires marines protégées, et des habitats fragiles.

"Le but est d'automatiser à terme beaucoup plus de ce travail, mais nous ne visons pas à remplacer les navires, ils sont toujours essentiels dans cette entreprise, " il a dit.

Le mystère demeure

Pour sa part, Fragoso voit l'intérêt d'avoir un AUV comme Harald pour aider à déterminer où elle et d'autres biologistes devraient procéder à un échantillonnage plus détaillé.

« Le phytoplancton n'est tout simplement pas facile à échantillonner car il répond constamment à un environnement en constante évolution, ", a-t-elle déclaré. "Cela nous donne beaucoup d'informations supplémentaires sur la façon dont le phytoplancton se produit dans la colonne d'eau. Et plus nous avons d'informations, le meilleur."

Quant au mystère des oiseaux de Runde, Fossum et Johnsen disent que les scientifiques doivent faire plus de recherches sur une période plus longue. Par exemple, le moment de la disponibilité de la nourriture est très important pour les poissons et les oiseaux.

"Les oiseaux ont besoin de trouver de la nourriture surtout lorsque leurs poussins éclosent, et les poissons doivent être de la bonne espèce et de la bonne taille pour que les oiseaux de mer survivent, " dit Johnsen. " Le changement climatique et la pollution modifient maintenant rapidement les conditions de l'écosystème marin, et nous devons en savoir plus."

"Nous avons pris un instantané de cette zone, qui nous dit quelque chose sur l'écosystème actuel à cette époque, " a ajouté Fossum. " Mais nous devrons revenir en arrière et obtenir un autre instantané pour détecter les changements et identifier les causes potentielles pour dire quelque chose sur le déclin des oiseaux. "