Han sido programados para detectar la fluorescencia emitida por la clorofila
Es primavera, brilla el sol y algo está a punto de pasar con el plancton en las frías aguas del océano Ártico. Los largos y soleados días y las temperaturas en aumento han despertado al fitoplancton. Ha comenzado la floración primaveral y las poblaciones de este diminuto plancton están creciendo explosivamente bajo la superficie.
Desde un barco en el fiordo, Tore Mo-Bjørkelund lanza un robot al mar. Luego otro.
"La primavera es una época agitada en el océano y las floraciones de algas son un dinámico y complejo proceso, difícil de analizar en detalle", afirma Mo-Bjørkelund.
Los robots son dos vehículos submarinos autónomos (AUV) ligeros que han sido programados para desplazarse por el agua y detectar la fluorescencia emitida por la clorofila, el pigmento verde que utiliza el fitoplancton para realizar la fotosíntesis.
Muestreo del agua
El doctorado de Mo-Bjørkelund en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) implicó el desarrollo de algoritmos para mapear la floración tanto en el tiempo como en el espacio. Acompañando a su paso por el mar está la bióloga marina Sanna Majaneva, que está lista para tomar muestras de agua una vez que los robots hayan localizado las concentraciones más densas de algas.
Mientras Mo-Bjørkelund prueba nuevos y costosos robots avanzados, Majaneva está equipada con un muestreador de agua Niskin: un tubo de plástico conectado a un cable con un simple mecanismo de activación mecánico.
Cuando el tubo alcanza la profundidad adecuada, se envía un peso por el cable que golpea un gatillo y el tubo se cierra. El muestreador es muy similar a uno que Fridtjof Nansen desarrolló hace más de cien años para recolectar muestras de agua a la profundidad deseada.
Imagen: Existen distintas formas de estudiar el plancton. En este caso, los investigadores utilizan un muestreador de agua Niskin. Foto: Martin Ludvigsen, NTNU
Métodos antiguos pero fiables
Los dos AUV que se desplazan por debajo de la superficie pueden parecer tecnológicamente superiores, pero es el sencillo muestreador de agua de Sanna Majaneva el que, en última instancia, proporciona todas las respuestas.
"Esas cosas funcionan de verdad. El problema con el desarrollo tecnológico es que las cosas que fabricamos no suelen funcionar. En cambio, una red de plancton o un muestreador de agua funcionan casi siempre. Son soluciones sencillas, baratas y fiables que la tecnología moderna no consigue igualar", afirma Mo-Bjørkelund.
Sin embargo, los biólogos necesitan nuevas soluciones para obtener una mejor visión general de lo que sucede debajo de la superficie gris azulada y opaca del agua.
Un muestreador de agua puede tomar muestras a lo largo de una línea vertical en el agua y brindar una visión general de lo que está sucediendo precisamente en ese lugar, pero brinda poca información sobre lo que está haciendo la floración de algas en el espacio que rodea esa línea vertical.
Por eso, Majaneva necesita la ayuda del robot submarino de Mo-Bjørklund. El robot puede hacer algo que su muestreador de agua no puede: puede encontrar el camino hacia la concentración más densa de fitoplancton en la columna de agua.
Pueden comprobar las concentraciones y la dispersión del plancton
"Se podría pensar que el plancton está distribuido de manera homogénea en el agua, pero sabemos que, de hecho, la distribución es bastante desigual, una especie de irregularidad a escala fina", dijo. "Es difícil estudiarlo utilizando métodos tradicionales, y puede haber más interacción entre los diferentes organismos dentro de estas áreas de lo que conocemos actualmente".
Imagen: Hay muchas cosas que no sabemos sobre la vida bajo el océano. Foto: Shutterstock/NTB
Majaneva es una de los varios biólogos marinos de NTNU que han participado en el proyecto "Nansen Legacy", un proyecto de investigación interdisciplinario sobre el clima marino y los ecosistemas que experimentan rápidos cambios.
Las floraciones primaverales anuales del fitoplancton constituyen la base misma de los ecosistemas marinos, pero aún hay mucho que no sabemos.
"Estudio el zooplancton. Quiero entender qué los diferencia entre sí, cómo coexisten y cómo se influyen mutuamente en el entorno pelágico", explica Majaneva.
Los estudios de lo que sucede durante una floración de fitoplancton son importantes para obtener una mejor comprensión de los procesos que afectan a los organismos un paso más arriba en la cadena alimentaria.
"Nos gustaría saber más sobre la biodiversidad y la prevalencia de las diferentes especies de plancton. Tal vez esta irregularidad a pequeña escala desempeñe un papel más importante de lo que pensábamos anteriormente", afirma Majaneva.
En marcha robots a los que se les enseña a tomar decisiones
Ahora los dos robots submarinos se desplazarán y medirán la fluorescencia en un área de 1,5 por 1,5 km, hasta una profundidad de 50 metros. Esto les permitirá localizar la mayor concentración de clorofila en esta caja tridimensional de agua.
También calcularán dónde son más inciertas las mediciones para poder repetirlas y mejorar la calidad de los datos. Al mismo tiempo, deben evitar colisionar entre sí.
"El tema de mi doctorado ha sido la medición adaptativa. Las mediciones se utilizan a lo largo del camino para determinar dónde medir a continuación. No lo llamaría inteligencia artificial, ya que no hay redes neuronales en juego, pero entrenamos un modelo con datos que recopilamos en el campo. El robot toma decisiones en función de los datos recopilados durante el proceso. El modelo es un proceso matemático-estadístico, un espacio óptimo que el robot utiliza para tomar decisiones", afirma Mo-Bjørkelund.
Antes de su trabajo de campo, perfeccionó el software ejecutando simulaciones de lo que los investigadores esperan que suceda en el campo. Ahora averiguará si el sistema funciona.
Imagen derecha: Este vehículo submarino autónomo, un robot, está programado para desplazarse por el agua en una zona determinada. Foto: Martin Ludvigsen, NTNU
Imágenes 3D de la fotosíntesis en tiempo real
Tras una primera ronda de mapeo, los dos robots suben a la superficie para intercambiar datos vía satélite. Esto permite que un robot tome decisiones en función de los datos del otro. Esto puede incluir volver a visitar áreas con medidas inciertas, así como evitar chocar con el otro robot.
A bordo del barco de investigación, los científicos pueden monitorizar los datos de medición, que se muestran como imágenes tridimensionales en una pantalla, creando así un modelo de la fotosíntesis en el agua en ese mismo momento.
"En este caso, vimos que no había mucha clorofila en la superficie, pero que había una enorme floración más abajo", dice Mo-Bjørkelund.
Si bien Mo-Bjørklund realizó la mayor parte de su trabajo en la oficina antes de la expedición a Svalbard, aquí es donde comienza el trabajo de Majaneva.
El turno del muestreador de agua
Tras una segunda ronda de mediciones, los robots salen del agua. Los investigadores navegan hasta el lugar donde los robots midieron las concentraciones más densas de clorofila y despliegan el muestreador de agua para buscar plancton.
¿Qué especies hay en el agua? ¿Cómo fluye la energía entre el fitoplancton y el zooplancton?
Para Mo-Bjørkelund, este es el punto culminante de años de trabajo.
"Esto fue sólo una prueba. Si se van a utilizar este tipo de robots como método estándar, se requiere mucha más ingeniería. Los biólogos están utilizando tecnología que se desarrolló hace décadas, porque la tecnología moderna simplemente aún no es lo suficientemente confiable".
Imagen: A pesar de las bajas temperaturas y los largos inviernos, las zonas marinas del Ártico están llenas de vida. Para los investigadores, es importante comprender los complejos procesos climáticos y ecosistémicos en el norte del mar de Barents. Crédito: Tore Mo-Bjørkelund
Desarrollo de investigación rentable
Trondheim, 2024: Han pasado dos años desde la expedición a Svalbard. Mo-Bjørkelund terminó hace tiempo sus estudios en la NTNU y ha creado su propia empresa de tecnología submarina con otros tres ex alumnos de la NTNU.
Norwegian SciTech News se reúne con Sanna Majaneva para tomar un café rápido entre sesiones ocupadas en el laboratorio del Museo Universitario NTNU en Trondheim.
Para averiguar qué plantas y animales había en las muestras de agua de Kongsfjorden, ha utilizado métodos genéticos. Sin embargo, identificar qué organismos están presentes en el agua no es sencillo, incluso si se encuentra su ADN en las muestras de agua.
"Utilizamos ADN ambiental y códigos de barras genéticos para identificar fitoplancton, zooplancton y peces. El ADN ambiental es un método eficaz para mapear la biodiversidad, pero todavía hay muchas especies que no se encuentran en las bibliotecas de referencia de ADN", dice Majaneva.
Además, incluso si los investigadores encuentran ADN de una especie particular en un área específica, no pueden estar seguros de que el organismo vivió precisamente donde lo encontraron.
"También puede haber sido un fragmento que descendió flotando desde una zona más alta de la columna de agua", explica Majaneva.
Presión constante
Habla de la presión constante para hacer que el monitoreo ambiental y la investigación biológica sean lo más rentables posible.
Los métodos genéticos le ahorran meses de trabajo en el microscopio, pero aún requieren desarrollo y dejan muchas preguntas sin respuesta.
Los robots submarinos de Mo-Bjørkelund también pueden ahorrarles a los biólogos un valioso tiempo en el campo.
"Este tipo de robots nos permitirán investigar varios lugares, a distintas profundidades, y estudiar los efectos de distintas corrientes. Nos ayudarán a decidir dónde tomar las muestras o dónde situar las estaciones. ¿Deberíamos tomar muestras de agua a una profundidad de 20 o 35 metros? Al fin y al cabo, no podemos llevar toda la columna de agua a bordo. ¿Quizás el robot pueda tomar muestras de agua por nosotros? Entonces ni siquiera necesitaríamos estar presentes. Las expediciones son caras", dice Majaneva.
El camino a seguir
El proyecto Nansen Legacy ya se ha completado, pero continúa el trabajo de desarrollo de robots submarinos autónomos en la NTNU.
"El océano está en constante cambio y nunca podremos medirlo todo en todo momento. Para lograr el mejor conocimiento posible del océano, debemos concentrar nuestros esfuerzos en las áreas más interesantes", afirma el profesor Martin Ludvigsen del Departamento de Tecnología Marina.
El proyecto Harvest ahora está probando cómo pueden los vehículos submarinos usar tecnología de sonar y cámaras de partículas para calcular la concentración de zooplancton en la columna de agua, mientras que el proyecto Mascot se concentra en los métodos estadísticos que permiten a los robots determinar dónde y cuándo se deben tomar las mediciones.
"El mapeo adaptativo usando AUV puede darnos una visión mucho mejor de la dinámica de los procesos físicos, biológicos y químicos en el océano", dice Ludvigsen.
Majaneva cree que el proyecto Nansen Legacy ha demostrado la importancia de la colaboración interdisciplinaria.
"Necesitamos el conocimiento de cada uno para ver el panorama general", afirmó.
Los hallazgos se publican en la revista PLOS ONE: Multi-vehicle adaptive 3D mapping for targeted ocean sampling
