others

OPUS grant “role of animals in shaping cryoconite hole ecosystems” (Grant OPUS “rola zwierząt w kształtowaniu ekosystemów kriokonitowych”)

Figure 1Cryoconite holes –  ecosystems studied within the project. A – cryoconite holes on Longyearbreen (Svalbard), B – cylindrical cryoconite hole on Longyearbreen (Svalbard), C – cryoconite hole on Forni Glacier (the Alps). Dark matter on the bottom of holes are cryoconite granules. Otwory kriokonitowe –  ekosystemy badane w ramach projektu. A otwory kriokonitowe na lodowcu Longyearbreen (Svalbard), B Cylindryczny otwór kriokonitowy na lodowcu Forni w Alpach, C kolejny otwór kriokonitowy na lodowcu Forni.

I would like to inform, with a slight delay, that this year I have become the recipient of the OPUS grant funded by the National Science Centre whose title is “role of animals in shaping cryoconite hole ecosystems – effects of bioturbation and food choice”. 
Please see below for a  description of the main idea and the explanation of the importance of the project.

Glaciers and ice sheets constitute the reservoir of 70% of Earth’s freshwater. Ice covers ca. 10% of lands and plays an important role as a white shield reflecting solar radiation. Due to that, our planet avoids overheating. From a biologist’s perspective, however, glaciers and ice sheets are unique ecosystems which are inhabited by distinctive organisms adapted to live, develop and reproduce in low temperatures. They are not only ubiquitous bacteria but also animals such as water bears (Tardigrada) or rotifers (Rotifera). In a glacial biome, they are the most common in cryoconite holes – small, water-filled reservoirs on the surface of glaciers. On the bottom of these small holes (up to a few centimetres in diameter), cryoconite material is deposited. It contains autotrophic organisms (algae and cyanobacteria) and heterotrophs. However, apart from dominant single-cell organisms, tardigrades and rotifers seem to be really important in these ecosystems. Most of these animals do not exceed the length of 1 mm but as consumers, they are at the highest trophic level. It means that the role of small water bears or rotifers in cryoconite holes is comparable with the role of wolfs in primary forests or polar bears in the Arctic. Despite the fact that cryoconite sediments are mostly built from algae and cyanobacteria, at the depth of a few millimetres, anoxic zones are formed which changes general physicochemical conditions such as pH in sediments. Undoubtedly, a „puddle” on a glacier is a more complex ecosystem than one may assume at first glance. Therefore, the main goal of the project is research on the role of the biggest organisms in supraglacial zone (on glacier surface) – microinvertebrates. The primary assumption is that animals burrowing sediments in search for food, stimulate a bioturbation process and reduce anoxic zones. Such studies are extremely important due to the fact that changing environmental conditions in the holes influence their primary production. I will collect material and conduct measurements on two glaciers. The first one is a temperate valley glacier, Forni in the Alps. It is dominated by tardigrades, exclusively.

Figure 2Figure 2Figure 2

Study sites. A – map indicates the location of Lyongear (Spitsbergen) and Forni (the Alps) glaciers, B – Forni Glacier, C – Lyongear Glacier. Planowane miejsca badań. A – mapa z punktami wskazującymi lodowiec Longyear oraz Forni; B – lodowiec Forni; C – lodowiec Longyear.

The second is cold valley Longyearbreen on Spitsbergen dominated by both tardigrades and rotifers. Owing to a special probe I will measure oxygen concentration, pH and electric conductivity in cryoconite holes with and without animals. Additionally, in the laboratory I will incubate sediments in jars and measure oxygen concentration, pH and electric conductivity at various depth of sediments with and without animals. It may turn out that in search for food animals reduce anoxic zones in cryoconite holes and change pH to more favourable and supporting „ecosystem services” for glacial ecosystems. Following looking for food by animals, in the project, I will check whether the animals control other biotas as the highest trophic level consumers in cryoconite holes. I will calculate the relations between a number of bacteria, algae and animals. At the same time, I will study the diet of glacial animals. To do this, I will use Next Generation Sequencing (NGS). I will also calculate the biomass of animals which seems to be forgotten in glacial science. Owing to this, we will understand how animals control other biotas in the holes. The goals of the project are extremely important in understanding issues such as productivity and matter flow in glacial ecosystems. Information resulting from this study are of fundamental character but are unfamiliar to 10% of our planet. Shame on us, polar scientists, that for many years we have forgotten about small extremophile animals, which may control processes on glaciers and influence the biosphere. I am guessing then it is worth to pay more attention to these small, enigmatic tardigrades and rotifers.

This year also my student Jakub Buda and another co-operator Edyta Łokas from the Institute of Nuclear Physics have received grants dealing with cryoconite ecosystems. Within my project, last month together with students we organised an international seminar where we discussed the main assumptions of our Polish projects with scientists from Italy, the Czech Republic, Estonia and Japan. At the end of the post, you can see some pictures from the meeting.

It is the first step in forming an international group interested in various aspects of glacial invertebrates – their diversity, physiological adaptations, dispersal, their role in bioturbation, top-down control or bioaccumulation of contaminants.

Figure 3Figure 3

Animals used in the project. A – tardigrade Hypsibius klebelsbergi Mihelčič, 1959 from the Alps (Forni Glacier); B – tardigrade Hypsibius sp. from Svalbard (Longyearbreen). Zwierzęta wykorzystane w badaniach. A –  niesporczak Hypsibius klebelsbergi Mihelčič, 1959 z lodowca Forni w Alpach; B – niesporczak Hypsibius sp. z lodowca Longyearbreen.

Z niewielkim opóźnieniem chciałbym poinformować, że w tym roku zostałem beneficjentem grantu OPUS finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. Tytuł projektu to rola zwierząt w kształtowaniu ekosystemów kriokonitowych – efekty bioturbacji i wyboru pokarmu. Poniżej znajduje się opis głównej idei i wyjaśnienie znaczenia projektu.

Lodowce oraz czapy lodowe stanowią magazyn wody słodkiej, bo przechowują aż 70% jej objętości na naszej planecie. Lód pokrywa ok. 10% Ziemi i pełni ważną funkcję – jako biała tarcza odbija promienie słoneczne dzięki czemu nasza planeta nie nagrzewa się tak szybko. Jednak dla biologa lodowce i czapy lodowe to przede wszystkim unikatowe ekosystemy, które są zamieszkane przez wyjątkowe organizmy przystosowane do rozwijania się i życia w niskich temperaturach. Nie tylko są to wszędobylskie bakterie, ale też zwierzęta takie jak niesporczaki (Tardigrada) czy wrotki (Rotifera). Najczęściej zwierzęta te możemy spotkać w otworach kriokonitowych czyli niewielkich zagłębieniach wypełnionych wodą na powierzchni lodowców. Zwykle na dnie tych małych (kilka do kilkunastu cm. średnicy) zbiorników znajduje się warstwa osadu tzw. kriokonitu. W skład kriokonitu wchodzą głównie organizmy autotroficzne (sinice i glony), ale też bakterie heterotroficzne. Jednak poza dominującymi jednokomórkowcami, ekstremofilne zwierzęta wydają się być także kluczowym elementem tych ekosystemów. Większość z tych zwierząt nie przekracza 1 mm. wielkości, a są najwyższym ogniwem łańcucha pokarmowego. Oznacza to, że małe niesporczaki czy wrotki pełnią taką samą funkcję na lodowcu jak wilki w lasach czy niedźwiedzie w Arktyce. Pomimo tego, że osady to głównie produkujące tlen sinice i glony, to w miejscach o grubszej warstwie osadów tworzę się strefy bez tlenu (już na głębokości kilku mm.), zmieniające warunki w zbiorniku. Niewątpliwie „kałuża” na lodowcu nie jest tak prostym systemem jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Dlatego też celem projektu będzie zbadanie roli w ekosystemach glacjalnych tych największych organizmów czyli mikro-bezkręgowców. Podstawowe założenie jest takie, że zwierzęta poszukują jedzenia w osadach i tym samym redukują strefy beztlenowe przeciskając się przez osad. Badania będą prowadzone w terenie oraz w laboratorium. Materiał do badań zostanie zebrany z dwóch lodowców. Pierwszy to Forni czyli ciepły lodowiec dolinny zlokalizowany w Alpach gdzie kriokonity zasiedlone są wyłącznie przez niesporczaki. Drugi to Longyearbreen czyli zimny lodowiec dolinny na Spitsbergenie, gdzie żyją wrotki i niesporczaki. Jeden z celów projektu to zbadanie roli zwierząt w bioturbacji osadów i redukowaniu stref beztlenowych. Jest to niezwykle ważne ponieważ wraz ze zmianą warunków na beztlenowe, zmienia się produktywność ekosystemów lodowych. Używając specjalistycznej aparatury, chcę mierzyć koncentrację tlenu w kriokonitach ze zwierzętami i bez zwierząt, przewodnictwo elektryczne, a także odczyn wody mówiący o bardziej kwaśnym (mniej korzystnym) lub zasadowym (bardziej korzystnym dla lodowych organizmów) środowisku w kriokonicie. Dodatkowo, chcę inkubować osady w szkalnych naczyniach i mierzyć w warunkach laboratoryjnych koncentrację tlenu w różnych warstwach osadu w próbkach ze zwierzętami i bez zwierząt. Może się okazać, że te niewielkie mikroskopijne zwierzaki poprzez „przeciskanie się” w osadach i poszukiwanie jedzenia natleniają kriokonit, tym samym redukują strefy bez tlenu czyli „świadczą usługi” dla ekosystemu glacjalnego. Podążając tropem poszukiwania jedzenia chciałbym także zbadać czy faktycznie zwierzęta jako konsumenci najwyższego rzędu mogą kontrolować zagęszczenia glonów i sinic, ale nie tylko. Chcę policzyć zależność między całkowitą liczbą bakterii i alg, a liczbą zwierząt. Nadszedł też najwyższy czas, żeby zbadać dietę zwierząt. Do tego użyje sekwencjonowania nowej generacji (NGS) i zbadam zawartość jelit tych małych drapieżników, dzięki czemu dowiem się co poza własnymi bakteriami mają w jelitach wrotki i niesporczaki. Dodatkowo, w ramach projektu zmierzę także biomasę samych zwierząt. Dzięki temu dowiemy się czy faktycznie jako konsumenci najwyższego rzędu mikro-bezkręgowce mogą kontrolować inne organizmy i jaka jest ich biomasa na lodowcach. Cele projektu są niezwykle ważne w zrozumieniu takich zagadnień jak produkcja wtórna i obieg materii w ekosystemach glacjalnych. Informacje te mają bardzo podstawowy charakter, jednak dotąd nieznany dla 10% powierzchni naszej planety. Wstydźmy się naukowcy polarni, że przez tyle lat zapominaliśmy o małych ekstremofilnych zwierzątkach, które mogą tak wiele zmienić i kontrolować procesy mające ostatecznie wpływ na biosferę. Warto się przyjrzeć tym małym, enigmatycznym niesporczakom i wrotkom.

W tym roku  granty na badania ekosystemów lodowych otrzymali również Jakub Buda oraz  nasza współpracowniczka Edyta Łokas z Instytutu Fizyki Jądrowej. W ramach mojego grantu OPUS w zeszłym miesiącu wspólnie z moimi studentami zorganizowaliśmy międzynarodowe seminarium, podczas którego omawialiśmy główne założenia naszych polskich projektów z naukowcami z Włoch, Czech, Estonii i Japonii. Poniżej kilka zdjęć ze spotkania.

To seminarium jest pierwszym krokiem w tworzeniu międzynarodowej grupy zainteresowanej różnymi aspektami zwierząt żyjących na lodowcach – ich różnorodnością, przystosowaniami fizjologicznymi, dyspersją, ich rolą w bioturbacji, kontrolowaniu zagęszczeń innych organizmów czy bioakumulacji zanieczyszczeń w kriokonicie.

Few pictures from the seminar. Kilka zdjęć z seminarium.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s