Baleens read like a whale's history book

~~ for Dutch scroll down ~~

Grows like a hair
For his research, Riekenberg drilled powdered samples from individual baleens from beached whales, or animals that were found dead on the bow of a ship coming into harbor. Those baleens are plate-like structures that sit like a curtain on the upper jaw of whales from the suborder Mysticeti or baleen whales. After taking a mouthful of seawater, baleen whales squeeze the water back out, leaving food, such as krill behind ‘in the curtains’.

Baleens are made of horn-like material and, like hair or nails, grow at a fixed rate, in this case 10 to 16 cm per year. The further away from the whale's upper jaw, the further back in time the baleen was formed. And because ‘a whale is what it eats’, Riekenberg and colleagues wanted to investigate how exactly to reconstruct information about its diet or foraging location on Earth.

Isotopes
For their study they looked at, among other things, the various isotopes of nitrogen. In addition to the most abundant 'nitrogen-14' there is also a heavier version, 'nitrogen-15' that has an extra neutron. When an animal digests plankton, part of the protein from the plankton is used to create the animal’s own proteins. In this process, the concentration of the heavy nitrogen increases a little at each step in the food chain. As a result, animals higher up the food chain contain more and more nitrogen-15. Plankton contains less of the heavy nitrogen-15,than krill, which in turn contains less of the heavy nitrogen than fish that eat krill, and so on.

But even in different places on Earth, the concentrations of nitrogen-15 are not equal: the higher north in the Atlantic ocean you go, the heavier nitrogen becomes in the water and thus in plankton.

Individual amino acids
To be able to tell the potential effects of position in the food chain and latitude of the foraging area apart, Riekenberg applied a new trick: he analyzed the different nitrogen forms in individual amino acids.

Certain amino acids (the building blocks of protein) cannot be made by the body. As a result, those essential or source amino acids remain mostly intact throughout the food chain. It does nót become progressively heavier with each step of eating or being eaten. Other, so-called trophic amino acids are reworked and do change in each step of the food chain. Thus, the difference in nitrogen composition between trophic and source amino acids is a measure of how high up the food chain it is (regardless of changing regional stable nitrogen isotope composition).

The trophic vs source amino acid difference appeared to be constant across the baleen, meaning that these individuals ate at the same level in the food chain the whole period their baleen was formed.  Thus, the differences in nitrogen isotopes in the baleen had to be a ‘geographic effect’, recording the presence of the whales in waters with different nitrogen composition.  

Analyzing the layers from the baleens, Riekenberg indeed observed annual migration patterns between the Arctic and North Atlantic oceans. The concentration of nitrogen-15 in the layers of the baleens varied from relatively high to low and back again during that period.

Proof-of-principle
Van der Meer is excited about the results of this study. "We have shown that it is possible to analyze individual amino acids and extract very detailed information from them. In the first instance, this was mainly a proof-of-principle. But in the future, we may be able to find out not only what a beached whale has eaten but also where it has been swimming in recent months, which can help to identify migration pathways for threatened populations. That information can even still be extracted from whales in museum collections. This may be useful in identifying longer term changes in diet and migrations due to human impacts.”

Baleinen laten zich lezen als geschiedenisboek van walvis

Door de chemische analyse van opeenvolgende stukjes uit de baleinen van dode walvissen, kan niet alleen de geschiedenis van het dieet maar ook de trekroute van de dieren worden afgelezen. Dat blijkt uit een publicatie van NIOZ-onderzoeker Philip Riekenberg en collega’s van Universiteit Utrecht en Wageningen Marine Research, in het jongste nummer van het tijdschrift Royal Society Open Science. “In dit onderzoek hebben we voor het eerst laten zien dat je metingen kunt doen aan individuele aminozuren over de gehele lengte van een balein, om daarmee heel gedetailleerd de geschiedenis van het dier te reconstrueren”, zegt Marcel van der Meer, marien geochemicus van het NIOZ en één van de coördinatoren van het onderzoek.

Groeien als haar
Voor zijn onderzoek nam Riekenberg uitgeboorde poedermonsters van de individuele baleinen van walvissen die waren aangespoeld of die dood op de boeg van een schip in een haven werden gevonden. Die baleinen zijn hoornige platen die als een gordijn aan de bovenkaak van walvissen uit de onderorde ‘baleinwalvissen’ zitten. Na een hap zeewater, persen baleinwalvissen het water weer uit hun bek, waarna voedsel, zoals kril, ‘in de gordijnen’ achterblijft.

Baleinen zijn gemaakt van hoornachtig materiaal en groeien net als haren of nagels met een vaste snelheid, in dit geval 10 tot 16 cm per jaar. Hoe verder van de bovenkaak van de walvis verwijderd, hoe verder terug in de tijd de balein is gevormd. En omdat ook een walvis ‘is wat hij eet’, wilden Riekenberg en collega’s onderzoeken hoe precies de informatie over het dieet of de foerageerplek op aarde is te achterhalen.

 Isotopen
De onderzoekers keken onder andere naar de verschillende isotopen van stikstof. Daarvan bestaat naast het gewone ‘stikstof-14’ ook een zwaardere variant, ‘stikstof-15’ met een extra neutron. Wanneer een dier eiwit, bijvoorbeeld uit plankton, in de darmen verteert en weer gebruikt voor het maken van eigen eiwitten, neemt de concentratie van het zware stikstof steeds een beetje toe met iedere stap in de voedselketen. Daardoor bevatten dieren hoger in de voedselketen steeds meer stikstof-15. Plankton bevat minder van het zware stikstof-15 dan kril, dat weer minder zwaar stikstof bevat dan vissen die kril eten, enzovoort.

Maar ook op verschillende plaatsen op aarde zijn de concentraties stikstof-15 niet gelijk: hoe hoger naar het noorden in de Atlantische Oceaan, hoe meer van het zware stikstof er in het water en dus in het plankton zit.

Individuele aminozuren
Om die mogelijke effecten van de positie in de voedselketen en de breedtegraad van het foerageergebied uit elkaar te kunnen houden, paste Riekenberg een nieuwe truc toe: hij analyseerde de verschillende stikstofvormen in individuele aminozuren (de bouwstenen van eiwit).

Bepaalde aminozuren kunnen niet door het lichaam worden gemaakt. Daardoor blijven die zogeheten essentiële aminozuren in de hele voedselketen nagenoeg intact bij iedere stap van eten of gegeten worden. Andere, zogeheten trofische aminozuren worden wel relatief steeds een beetje zwaarder per stap in de voedselketen. Daarmee wordt het verschil in stikstofsamenstelling tussen trofische en essentiële aminozuren een maat voor de hoogte in de voedselketen.

Dit verschil bleek constant in de baleinen. Eten op verschillende niveau’s was dus niet de verklaring voor de gemeten verschillen. De verschillen in stikstof-isotopen in de baleinen was daarmee dus voornamelijk een ‘geografisch effect’.

Bij analyse van de laagjes uit de baleinen, zag Riekenberg inderdaad de migratie van de Arctische naar de Noord Atlantische Oceaan in de baleinen terug. De concentratie stikstof-15 varieerde in die periode van relatief hoog naar laag en weer terug.

Proof-of-principle
Van der Meer is bijzonder enthousiast over de uitkomsten van dit onderzoek. “We hebben laten zien dat het mogelijk is om individuele aminozuren te analyseren en daar heel gedetailleerde informatie uit te halen. In eerste instantie was dit vooral een ‘proof-of-principle, dus een bewijs dat dit mogelijk is. Maar in de toekomst kunnen we dus mogelijk niet alleen achterhalen wat een aangespoelde walvis heeft gegeten, maar ook waar hij de afgelopen maanden heeft rondgezwommen, wat kan helpen bij het identificeren van migratieroutes van bedreigde populaties. Die informatie is zelfs nog te halen uit walvissen in museumcollecties, wat weer nuttig kan zijn bij het vaststellen van veranderingen in dieet en migratieroutes als gevolg van menselijk handelen.