Studying Behavioral Responses to Bioluminescence in Zooplankton

Abstract

Endringer i det marine lysklimaet kan ha betydelige konsekvenser for biodiversitet og samspillet mellom marine organismer. Denne endringen er spesielt relevant i marine miljøer der bioluminescens, biologisk produsert lys, spiller en avgjørende rolle. Fenomenet er observert i en rekke marine arter som fisk, maneter og krepsdyr, og er spesielt utbredt i dyphavet og polare regioner hvor mengden atmosfærisk lys er minimal. Den biokjemiske prosessen bak bioluminescens involverer enzymet luciferase og det lysproduserende molekylet luciferin, som kan variere mellom arter. Lysutsendelsen forekommer som oftest i den blågrønne delen av lysspekteret, som er ideelt i marine miljøer da disse bølgelengdene reiser lengst i sjøvann. Bioluminescens er viktig for kommunikasjon, predator-bytte-interaksjoner og energioverføringen i marine næringsnett. Spesielt i de arktiske og nordiske vintrene blir bioluminescens en økologisk viktig lyskilde. Likevel er vår kunnskap om dens innvirkning på samspillet i marine miljøer svært begrenset, og ny informasjon om innvirkning på atferd vil forbedre forståelsen av rollen bioluminescens spiller i marine økosystemer.

Atferdseksperimenter med bruk av kunstig lys for å etterligne bioluminescerende blink ble utført på ulike dyreplankton i Trondheimsfjorden, Norge, i mars og juni 2023. Dyreplankton ble samlet inn med planktonnett, og utvalgte individer fra slektene Calanus og Metridia ble valgt ut på grunn av deres tilgjengelighet, robusthet i eksperimentelle forhold og økologisk betydning. I eksperimentene ble LED-lys benyttet for å simulere bioluminescens fra tre forskjellige slekter, Metridia, Clytia og Beroe. Studien hadde som mål å undersøke dyreplanktons visuelle respons på lysstimuli og dermed observere reaksjonene til både bioluminescerende og ikke-bioluminescerende arter. Det eksperimentelle oppsettet inkluderte et akvarium utstyrt med justerbart lys, et kamera og infrarøde lys for videoopptak under mørke forhold. De registrerte responsene, som svømmehastighet og bevegelser mot eller fra lyskilden, ble analysert ved hjelp av kunstig intelligens (AI-assistert sporing) i programvaren SLEAP.

Studien viste at Metridia spp. har et høyere bevegelsesgrunnivå sammenlignet med Calanus spp. Likevel reagerte ingen av de undersøkte dyreplanktonslektene signifikant på lysstimuli, uavhengig av intensiteten som ble testet. Dette tyder på at under de gitte eksperimentelle forholdene har lys ingen betydelig innvirkning på atferden til disse dyreplanktonslektene. Forståelsen av dynamikken og samspillet mellom ulike dyreplankton er viktig, da dette øker vår kunnskap om hvordan dyreplankton tilpasser seg til endringer i det marine lysmiljøet. Dette er avgjørende for å kunne forutsi hvordan marine økosystemer vil respondere på globale miljøendringer, noe som igjen er viktig for å kunne effektivt konservere og ta vare på vår økologiske balanse.

As the marine light climate undergoes changes, it may significantly impact biodiversity and interactions between organisms. This shift is particularly relevant in marine environments where bioluminescence, the natural production of light by organisms, plays a crucial role. This phenomenon is found among various marine species including fish, jellyfish, and crustaceans, especially in the deep ocean or polar regions where the amount of atmospheric light is minimal. The biochemical process that creates bioluminescence involves the enzyme luciferase and the light-producing molecule luciferin, which can differ between species. The emission of light in the blue-green spectrum is most common among marine life, as these wavelengths travel further in seawater. Bioluminescence is important for communication, predator-prey interactions and it influences the energy flow within marine food webs. Particularly in the Arctic and Nordic winters, bioluminescence becomes a vital source of light. However, our knowledge on its impact on interactions within marine ecosystems is highly limited and new information on behavioral responses to bioluminescence will enhance the understanding of the role bioluminescence plays in marine ecosystems.

Behavioral experiments using artificial light to simulate bioluminescent flashes on different zooplankton species were conducted in Trondheimsfjorden, Norway during March and June 2023. Zooplankton were collected with plankton nets and individuals from the genus Calanus and Metridia were chosen for the experiments based on their availability, robustness in the experiments and ecological relevance. The experiments used LED lights to replicate the light characteristics of bioluminescent emissions from three different taxa, Metridia, Clytia and Beroe. This study aimed to explore the visual responses of the zooplankton to different light stimuli and thus seeing how both bioluminescent and non-bioluminescent species respond to said light stimuli. The setup for these experiments included an aquarium equipped with adjustable lighting, a camera and infrared lights to allow for recording in the dark. The behaviors recorded, such as swimming speeds and movement towards or away from the light source, were analyzed using AI assisted tracking in a software called SLEAP.

This study found that Metridia spp. showed a higher baseline activity compared to Calanus spp. However, despite various light experiments, neither taxa showed any significant response to light stimuli, under any of the intensities tested. This suggests that under the experimental conditions used, light does not significantly influence the measured behaviors of these zooplankton species. Understanding the dynamics and interactions between different zooplankton species is important as it improves our understanding of how zooplankton adapt to changes in the marine light environment which is essential for predicting how marine ecosystems respond to environmental changes globally and helps shape our conservation efforts.