Uten turbulens dør fiskelarver av sult

Fysikere har funnet den matematiske formelen på sammenhengen mellom turbulens i sjøen og matinntaket til små fiskelarver. Nå bruker Havforskningsinstituttet formelen for å simulere torskebestanden i havet.

TORSKEMODELL: Havforskningsinstituttet i Bergen bruker forskningsresultatene fra Universitetet i Oslo i en modell som skal simulere de tidligste fasene i torskens liv. Foto: Havforskningsinstituttet

Professor Hans Pécseli ved Fysisk institutt på Universitetet i Oslo har sammen med professor Jan Trulsen ved Astrofysisk institutt de siste fem årene forsket på hvordan turbulens i vann påvirker matinntaket til plankton og små fiskelarver.

Nå bruker Havforskningsinstituttet forskningsresultatene deres i en modell som skal simulere vekst og overlevelse for de tidligste stadiene av torsk.

Det viser seg at turbulens er nødvendig for alt liv i havet. Uten denne spesielle fysiske mekanismen ville de aller minste organismene helt nederst i den maritime næringskjeden ha sultet i hjel. Årsaken er at de beveger seg svært lite. Mikroorganismer flyter passivt i vannet og spiser bare det de tilfeldigvis støter på. Uten turbulens ville strømmene i vannet ha fraktet organismene og matfatet i den samme retningen og med den samme farten.

– Da ville det ikke ha tatt lang tid før matfatet i den umiddelbare nærheten hadde blitt spist opp, forteller Hans Pécseli, som i hele fjor hadde et forskningsopphold på Det Norske Videnskapsakademi for å kunne fordype seg mer i turbulensens mysterier. Han er plasmafysiker og forsker på turbulens i ladde gasser i det nære verdensrommet.

Utrolig nok har det vist seg at forskning på turbulens i mikrosmå områder i havet kan øke forståelsen for fagfeltet hans. For matematikken er nesten den samme, uansett om man forsker på turbulens i plasmauniverset, turbulensen i røykutslipp fra en skorstein eller turbulensen rundt små plankton. Det er ikke vanskelig å forestille seg at det er langt lettere å utføre eksperimentelle turbulensstudier i vannmasser enn ute i kosmos.

TURBULENSREGEL: Professor Hans Pécseli ved Fysisk institutt har beregnet hva turbulens betyr for mattilgangen til fiskelarver. Foto: Ståle Skogstad

Statistiske analyser

Et av eksperimentene går ut på å slippe ut store mengder bittesmå kuler på ett og samme sted i en turbulent vannstrøm. Da kan man måle hvordan kulene sprer seg. En mulighet er å beregne sannsynligheten for hvor en enkelt kule befinner seg. Langt vanskeligere er det å studere variasjonen i avstanden mellom to vilkårlige kuler.

Ettersom avstanden mellom kulene stadig vil øke, vil man få mange observasjoner der kulene er langt fra hverandre, men svært få observasjoner der kulene er svært nær hverandre.

Hans Pécseli forteller at de nå for første gang har klart å fremskaffe gode statistiske analyser der avstanden mellom partikler i turbulent strøm er så liten som et par millimeter.

Anta nå at disse kulene representerer mikroorganismer i havet. Pécseli og kollegaene hans har laget et simulerings- og analyseprogram som ikke bare beregner hvilke baner de vil følge, men som også tar hensyn til at det enkelte planktonet spiser opp alle mikroorganismene som de tilfeldigvis støter på og som er mindre enn dem selv.

Virvler frem mer mat

Dataprogrammet antar at dyret har form som en kule. Når fiskelarven øker i volum, øker samtidig rekkevidden for å kunne få tak i byttedyr.

Fordobles radiusen, vil overflaten firedobles. Matematisk sett skulle man da anta at det volumet som fiskelarven klarer å fange byttedyr i, også økte fire ganger.

Men slik er det ikke! Takket være turbulensen får fiskelarven tak i enda mer mat. For turbulensen sender så mange andre små mikroorganismer inn i matfatet, at den effektive rekkevidden for fiskelarven i dette tilfellet faktisk blir fem ganger større.

– Jeg tror at jeg med god samvittighet kan si at vi har data fra det eneste eksperimentet i verden som viser denne regelen. Fenomenet skyldes en spesiell energifordeling i turbulensen. Det merkelige er at hvis man prøver å gjøre turbulensen sterkere, slik at fiskelarven får dobbelt så mye å spise, må man tilføre turbulensen åtte ganger mer energi, forteller Hans Pécseli, som har publisert resultatene i Journal of Plankton Research and Journal of Fluid Mechanics.

Han mener likevel at analysen har noen svakheter.

– Synsfeltet til mikrodyret er ikke hele kuleflaten. Vi må derfor modellere matinntaket ut ifra synsfeltet. Det andre ankepunktet vårt er at de små organismene faktisk kan bevege seg hvis de er meget sultne. Men naturen har en raffinert balanse: Det koster energi å bevege seg. Poenget er å vinne mer energi enn man bruker.

De to professorene jobber også med å ta hensyn til det faktum at seigheten i vannet spiller en rolle når avstanden mellom mikroorganismene er liten. Den spesielle fysiske egenskapen kalles for viskositet og fører til at bevegelsene forplanter seg til alle de nærmeste naboorganismene. Du kan selv observere denne egenskapen ved å ta en plate opp av vannet. Da vil du se at noe av vannet følger med.

Fiskelarvemodell

I regi av Havforskningsinstituttet i Bergen finansierer Forskningsrådet på fjerde og siste året en individbasert simuleringsmodell som skal finne ut av hvilke mekanismer som styrer rekrutteringen til fiskebestanden. I modellen simuleres blant annet veksten til en torskelarve.

Rett etter klekking lever fiskelarvene av de tidligste små naupliestadiene av det lille krepsdyret raudåte.

– Tidligere antok man at fiskelarvenes bevegelser var essensielle for å finne de små krabatene. For mindre enn tjue år siden ble teorien lansert om at turbulens øker kontaktraten mellom planktonorganismer. Havforskningsinstituttet var de første i verden som dokumenterte teorien i praksis. Det viste seg at mageinnholdet i torskelarven var større når turbulensen var høyere, sier professor Svein Sundby ved Havforskningsinstituttet.

Han fremhever at turbulensen i havet i dag har et optimalt nivå.

– Blir turbulensen for stor, har vi indikasjoner på at partikler fyker så fort forbi hverandre at de ikke rekker å spise dem. Det er fortsatt mange uutforskete sider av turbulensens natur, og det er her plasmafysikerne har bidratt med ny innsikt og viten om grunnleggende prosesser i biologi. Forskningsresultatene ved Universitetet i Oslo kan bidra til å øke presisjonen i fiskeressursmodellen. Når vi kan lage helt riktige modeller, kan vi varsle den faktiske konsekvensen av en klimaendring, påpeker Svein Sundby.

Av Yngve Vogt
Publisert 1. mars 2012 12:57 - Sist endret 1. mars 2012 12:59
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere