…from the depth of the ocean. Thousands of microscopic organisms are swimming around, either to catch some food or just hanging out in the currents and enjoying the silence. Planktonic organisms are an important part of the ocean’s ecosystem and during our expedition we want to learn as much as possible about them. Since we started the SO264 cruise, we are catching plankton every 2 -3 days. Our main focus is on those organisms that build a chalky shell: foraminifera and pteropods, nicknamed “sea butterflies”.

We are using a winch to deploy big nets to specific depths of the water column. We have a total of five nets, which we can open one after another while towing the net slowly to the surface. This allows us to separate samples from the depth and from the surface, as different organisms live at different depths. We carry the samples afterwards into the laboratory to study the “catch” under a microscope. This allows us to get a first impression about the ecology at the sampling location. We also get a few surprises- for instance, the other day we saw some small lantern fishes for the first time. While these fish are relatively small and do not look spectacular, they actually have special organs both on their body and their head with which they can produce light-either blue, green or yellow. As we cover quite a lot of the Pacific on our journey all the way from Fiji to the very northern part of the Pacific, we have already been able to see the changes in the plankton composition. We have started with surface water temperatures of almost 30 °C and are now only at 10°C, causing very different species to show up in our nets.

Crew and scientists heave the Multinet out of the water. Photo: Jessica Volz, Editing: Steffen Niemann

We invite you to take a look for yourselves:

Flashes of light in the darkness: Night-time sampling is probably our favorite time to work, due to the bioluminescence causing the surface water to glow. A very special type of plankton, so-called dinoflagellates, are responsible for the bioluminescence. As opposed to the “dino” in their name, they are actually rather small unicellular algae. During daytime, they use the light to gain energy just like any other algae. However, during the night they can produce light flashes. They employ a special chemical reaction leading to the flashes of light. Some species can even produce these flashes several times after each other. However, the reaction is relatively costly in terms of energy consumption. So that the scientific community is speculating why the algae actually produce those light flashes. The most likely hypothesis says it is a defense mechanism – either to scare away greedy enemies who want to eat the small algae or, actually even more clever, to attract the enemies of the enemies. Ideally, they are then so busy avoiding being eaten themselves, that they have no more time to eat the clever little dinoflagellates.

The containers with the water samples are removed from the multinet. Photo: Jessica Volz, Editing: Steffen Niemann

Green soup. In a few locations the surface of the ocean was really green, caused by millions of small algae all hanging out in the upper part of the water column where the light is and in turn, enough energy available. A very pretty group of algae are diatoms, which sometimes build very pretty and elaborate shells out of biogenic glass. However, we catch diatoms not because they are pretty, but because we are interested in the composition of their shells. We are especially interested in the isotopic fractionation – for this, we measure the isotopic composition of the shells as well as the surrounding seawater and compare these values to each other. We are very excited about the opportunity to study diatoms during this cruise, as there is no data so far for the North Pacific.

While bioluminescence and diatoms are very fascinating, our main research focus lies on foraminifera and pteropods because of their shells made out of calcium carbonate. We are interested in the composition of their shells, as this changes with changing environmental parameters. For instance, the shells of foraminifera contain more magnesium the higher the water temperature is. The huge temperature gradients that we encounter throughout our expedition are like a huge outside laboratory for us. This allows us to study in detail how changes in the temperature are reflected in the chemical composition in the shells. These calibrations are then used by our colleagues that are reconstructing seawater temperatures from the last tens of thousands of years (blog 28.07.2018)

A microscope-mounted camera allows the scientists to take high-resolution photographs of the water samples and their contained fauna and flora. Photo: Jessica Volz, Editing: Steffen Niemann

Foraminifera, also unicellular organisms, are building various types of chalky chambers and are known for the huge variety of shell forms. We are using the multiclosure net to catch foraminifera from different depths in the water column. The cytoplasm inside the shell can be colored greenish or yellowish, depending on their last meal. It also tells us that the foraminifera were still alive at the time of sampling. A fun fact about foraminifera is that even though they are unicellular, they can prey on multicellular organisms such as copepods.

Some planktonic foraminifera species have long spines that can be easily seen with light microscopy (e.g. Orbulina universa Fig. 1). Other species are very small, and you have to look very carefully to see them hiding underneath all the other plankton organisms (e.g. Globigerinita glutinata, Fig. 2).

Photos: Anna Jentzen, Nina Keul, Jessica Volz, Thomas Ronge

Why are sea butterflies are sometimes called the canaries of the oceans? Sea butterflies also build shells. However, they are very thin and are made from a special type of chalk that is dissolved relatively easily when pH drops. The climate is currently threatened by anthropogenic greenhouse gas emissions, that also affect the world’s oceans: temperature is increasing, pH is dropping, causing the oceans to be warmer and more acidic. This acidification is especially bad news for the sea butterflies as the surface of their shells corrodes or even develop holes in severe cases. Similar to the canaries that were detecting poisonous levels of carbon monoxide in the coalmines, pteropods are often the first to respond to ocean acidification. During our cruise we are collecting as many sea butterflies as possible to study how much ocean acidification is already affecting the ecosystem of the Pacific.

Nina Keul und Anna Jentzen

Deutsche Übersetzung:

Das Plankton ruft…

 …aus der Tiefe des dunklen Ozeans. Tausende kleinste Lebewesen schwimmen aktiv dem essen hinterher oder lassen sich passiv von der Strömung treiben und geniessen die Stille des Pazifiks. Das Plankton ist ein wichtiger Bestandteil des Ökosystems der Meere und auch auf unserer Reise wollen wir so viel wie möglich darüber lernen. Seit Beginn der Reise SO264 fangen wir alle 2­–3 Tage mit großen Netzen das Plankton aus unterschiedlichen Tiefen der Wassersäule. Das größte Interesse gilt dabei kleinen Organismen, die sich ein Gehäuse aus Kalk bauen, die sogenannten  Pteropoden (Flügelschnecken) und die Foraminiferen (Kammerlinge).

Das Multi-Schliessnetz wird mit einer Winde zu Wasser gelassen und auf eine gewünschte Wassertiefe gefiert. Dann öffnen wir das erste Netz und das Gerät wird langsam auf eine weitere bestimmte Wassertiefe gehievt um so viele Lebewesen wie möglich zu fangen. Nachdem das letzte und fünfte Netz geöffnet wurde, wird das Gerät zurück an Deck gebracht. In unserem Labor durchleuchten wir die Proben direkt mit unseren Mikroskopen und gewinnen schon die ersten Eindrücke über die ökologischen Bedingungen und auch so einige Überraschungen. So haben wir zum Beispiel das erste Mal Laternenfische gesehen, unscheinbar aussehende kleine Fische, die allerdings Leuchtorgane am Körper und auf dem Kopf verteilt haben, die entweder blau, grün oder gelb strahlen können (Bild 5). Auf unserer Reise von Fiji in den Nordpazifik konnten wir schon eine große Veränderung der Fauna feststellen, welcher von den warmen Tropen (Oberflächen-Wassertemperatur von 29°C) hin zu den kühleren Emperor-Seamounts (Oberflächen-Wassertemperatur 10 °C) reicht.

Im folgenden wollen wir Euch eine kleine Übersicht geben wer sich so alles in unseren Netzen getummelt hat:

Lichtblitze in der Dunkelheit: Das wohl schönste Lichtspektakel, das man sich während einer nächtlichen Beprobung wünschen kann, ist das Meeresleuchten (Bild 8). Es wird verursacht von einer ganz besonderen Art von Plankton- den Dinoflagellaten. Anders als der Name vermuten lässt, sind diese nicht etwa monströs groß, sondern sehr kleine einzellige Algen. Während sie tagsüber wie andere Algen auch, Photosynthese betreiben, um Energie zu gewinnen, können Sie nachts Licht produzieren- dies geschieht mithilfe einer chemischen Reaktion. Dies führt dann zu einer Art Lichtblitz, der je nach Art auch mehrmals hintereinander ausgelöst werden kann. Energetisch gesehen ist dieser Prozess für die kleine Alge sehr kostspielig, so dass in Fachkreisen spekuliert wird, welchem Zweck das Meeresleuchten dient. Am wahrscheinlichsten scheint eine Art der Fressfeindabwehr- entweder soll der gierige Räuber erschreckt werden oder aber es sollen die Fressfeinde der Räuber selbst angelockt werden, so dass diese zu beschäftigt sind, sich selber zu retten, als dass sie noch die kleinen Dinoflagellaten verspeisen wollen.

Grüne Suppe: An einigen Stationen war das Oberflächenwasser regelrecht grün gefärbt- dies liegt an unzählig vielen kleinen Kieselalgen, die sich sehr nah an der Wasseroberfläche aufhalten, da es dort ausreichend Sonnenlicht gibt, um Energie über die Photosynthese zu gewinnen (Bild 6). Die deutsche Bezeichnung der ansonsten in Fachkreisen als “Diatomee” bezeichneten Algen, weist schon auf ihr Hauptmerkmal hin- sie bilden eine Aussenschale aus Kieselsäure, die teilweise sehr kunstvolle und bizarre Formen hervorbringen. Wir fangen diese kleinen Algen nicht wegen Ihrer Schönheit, sondern weil Kollegen sich für die Zusammensetzung der Schalen interessieren, sie wollen Sauerstoff- und Siliziumisotope messen. Dabei geht es vor allen darum, mehr über die Isotopenfraktionierung herauszufinden. Das geschieht indem man Isotopenmessungen an den Planktonschalen und an Ort und Stelle entnommenen Wasserproben durchführt und die beiden Werte dann miteinander vergleicht. Wir betreten hier absolut wissenschaftliches Neuland, da für den Nordpazifik noch keine Daten zur Verfügung stehen.

So possierlich Meeresleuchten und Diatomeen auch sein mögen, so gilt unsere Leidenschaft doch den Foraminiferen und Pteropoden aufgrund ihres Kalkgehäuses. Auch hier interessiert uns die genaue chemische Zusammensetzung der Kalkschalen, da die Zusammensetzung mit sich verändernden Umweltparametern variieren kann. Das prominenteste Beispiel ist hier wohl, dass die Foraminiferen in Ihren Schalen mehr  Magnesium einbauen, je wärmer die Wassertemperatur ist. Wir durchkreuzen auf unserer Reise sehr verschiedene Wassermassen, die unterschiedliche Temperaturen, aber auch einen unterschiedlichen Salzgehalt haben.  Für uns quasi ein riesiges Reagenzglas, in dem wir genau untersuchen können, wie sich verändernde Wasserparameter auf die Schalenzusammensetzung auswirken. Mit den hierbei entstehenden Kalibrationen unterstützen wir unsere Kollegen, welche anhand von fossilen Schalen aus dem Meeresboden, die Veränderungen der Wassermassen der letzten 1’000, 10’000… Jahre rekonstruieren (siehe Blog 28.07.2018).

Foraminiferen bilden unterschiedlichste Kammerformen und haben eine grosse Formenvielfalt. Mit dem Multinetz fangen wir die planktischen Arten in den unterschiedlichsten Tiefen aus der Wassersäule. In deren Kammern/Gehäuse befindet sich das Zytoplasma des Einzellers, welches je nach dem was die Foraminifere gegessen hat grün bis gelblich gefärbt ist und es lässt sich dadurch erkennen ob die Foraminiferen während der Probenahme noch gelebt haben. Als Futter dient z.B. eine vorbei schwimmende Copepode (Ruderfusskrebs) die wir insbesondere in den nördlichen Breiten viel in unseren Proben finden (Bild 7). Einige planktische Arten haben grosse lange Stacheln die im Licht scheinen (z.B. Orbulina universa Bild 1), andere wiederum sind nur in der kleinen Fraktion zu sehen und man muss schon ganz genau hingucken wenn sie sich in der Probe unter allen anderen verstecken (z.B. Globigerinita glutinata Bild 2).

Warum Flügelschnecken gerne mal als Kanarienvögel des Ozeans bezeichnet werden. Flügelschnecken bauen extrem dünne Schalen, die aus einer besonderen Art von Kalk bestehen,  der sich relativ leicht anlöst, wenn der pH Wert sinkt (Bild 3-4). Die klimaschädigende Wirkung von Treibhausgasemissionen ist ein Fakt. Bezogen auf die Weltmeere bedeutet das, die Temperatur wird steigen und der pH-Wert wird sinken, das heißt der Ozean wird wärmer und saurer. Vor allem diese Versauerung macht den empfindlichen Schalen der Pteropoden zu schaffen- die Oberfläche wird angelöst oder bekommt in besonders schlimmen Fällen sogar Löcher. Analog zu den in Bergwerken eingesetzten Kanarienvögeln, die besonders früh auf gefährliche Kohlenmonoxidkonzentration in  der Luft reagieren, sind Pteropoden so oft die ersten Anzeiger für Ozeanversauerung, quasi eine Art Frühwarnsystem. Wir sammeln auf unserer Fahrt fleissig Flügelschnecken, um zu untersuchen, inwieweit Ozeanversauerung bereits dem Ökosystem im Pazifik zu schaffen macht, da vor allem auf unserer Route hierzu noch keine Daten existieren.

Nina Keul und Anna Jentzen