Deep sea research shows self-organising tiger patterns in cold water coral reefs

~~ scroll naar beneden voor Nederlands ~~ for Dutch scroll down ~~

Tiger stripes

The cold-water reef patterns which are found, are nicknamed ‘tiger reef-patterns’ and are similar to the better-known ‘tiger bushes’; parallel bands of vegetation on the African plains. They resemble sand ripples on the beach or the stripes of a zebra but are, in reality, areas with and without corals.

Ecosystems on land and in water have evolved ‘tricks’ in which they can react to environmental changes without losing their function. This makes ecosystems resilient. The formation of regular patterns is such a mechanism by which ecosystems can adjust gradually to changes. Sudden changes are typically unfavourable in ecosystems as they can often lead to the disappearance of certain ecosystem functions or to the extinction of species. These mechanisms have been described for many terrestrial and coastal ecosystems.

Proof of concept

“There were indications that also cold-water corals form regular spatial patterns through self-organisation , but this was never shown because of the difficulties of working in the deep sea. Light doesn’t penetrate well through water, so we can’t get aerial images of the deep seafloor. The images that we do have are from very close by,” says Van der Kaaden. Detailed data collected by deep sea research expedition consists mainly of ribbons of images that are each only two meters wide. How can you create an overview of a reef complex that is 15km long with only a few ribbons of images? Van der Kaaden and her colleagues needed to do a lot of statistical analyses and create computer models of the reef. “We wanted to prove the concept that we can study self-organized spatial patterns by analysing this kind of imagery. This could be interesting for other deep sea ecosystems as well.”

Slow adjustment to environmental changes

Interestingly, we found regular patterns in cold-water coral occurrence. These patterns tell a lot about how these deep-sea reefs form and how they change when the climate changes. Cold-water corals are thought to be very sensitive to changes. They grow and develop very slowly. But this new study shows that the corals might be able to adjust their reef configuration to environmental changes.

A basis for restoration

Furthermore, the patterns are found in the dead and also in living corals. This means that the dead coral framework provides template patterns that facilitates live coral recovery. “This finding is important for deep sea coral reef restoration,” says Van der Kaaden. “Plus, it tells us that bottom trawling is very harmful for the cold-water coral reefs, as they destroy these template patterns for coral recovery.”

Challenging study

It is impossible to make large-scale photos or scans of deep-sea ecosystems like cold water coral reefs. Due to the darkness in de deep sea, there is only photo- and video material available made within a few meters distance of the sea floor. Studying patterns in the available video material was a challenge for Van der Kaaden. She was looking at the deep-sea ecosystem like watching trough a narrow tube. She was happy to  find evidence for patterns in cold-water coral reefs. Compare it with studying a dune landscape with information you can see directly besides the path you are walking on – nothing more. Van der Kaaden used mathematical tools to get information on recurring patterns in the ribbon of images from the sea floor. “I was very happy that the method worked; that we found regular patterns that suggest self-organization. It was a surprise that we could study the regular patterns in the living and dead coral separately. By comparing both we got a lot of extra information.”

Diepzee-onderzoek toont zelforganiserende tijgerpatronen aan in koudwaterkoraalriffen

Voor het eerst is het bewijs boven water gekomen dat zelfs koudwaterkoraalriffen die in de koude en donkere diepzee leven, groeien in zelforganiserende patronen. Dergelijke patroonvorming is een 'truc' die de veerkracht van ecosystemen onder veranderende omstandigheden vergroot. Omdat licht niet ver in de oceaan doordringt, is het niet mogelijk om overzichtsfoto's van de zeebodem te maken. Promovenda Anna van der Kaaden, theoretisch ecoloog, heeft grote hoeveelheden videomateriaal met een beperkt gezichtsveld uit de diepzee geanalyseerd om een eerste glimp van deze patronen op te vangen. Haar bevindingen zijn nu gepubliceerd in Ecosphere.

Tijgerstrepen

De koudwater koraalrifpatronen die worden gevonden, hebben de bijnaam 'tijgerrifpatronen' gekregen en lijken op de bekendere 'tijgerstruiken'; parallelle vegetatiebanden op de Afrikaanse vlakten. Ze lijken op zandribbels op het strand of de strepen van een zebra, maar zijn in werkelijkheid gebieden met en zonder koralen.

Ecosystemen op het land en in het water hebben 'trucjes' ontwikkeld waarmee ze kunnen reageren op veranderingen in het milieu zonder hun functie te verliezen. Dit maakt ecosystemen veerkrachtig. De vorming van regelmatige patronen is zo'n mechanisme waarmee ecosystemen zich geleidelijk kunnen aanpassen aan veranderingen. Plotselinge veranderingen zijn typisch ongunstig in ecosystemen omdat ze vaak kunnen leiden tot het verdwijnen van bepaalde ecosysteemfuncties of tot het uitsterven van soorten. Deze mechanismen zijn beschreven voor veel terrestrische en kustecosystemen.

Een proof of concept

"Er waren aanwijzingen dat ook koudwaterkoralen regelmatige ruimtelijke patronen vormen door zelforganisatie, maar dit is nooit aangetoond vanwege de moeilijkheden van het werken in de diepzee. Licht dringt niet goed door water heen, dus we kunnen geen luchtfoto's van de diepe zeebodem maken. De beelden die we wel hebben zijn van heel dichtbij," zegt Van der Kaaden. Gedetailleerde gegevens die door diepzeeonderzoeksexpedities zijn verzameld, bestaan voornamelijk uit linten van beelden die elk maar twee meter breed zijn. Hoe kun je een overzicht maken van een rifcomplex dat 15 km lang is met slechts een paar linten van beelden? Van der Kaaden en haar collega's moesten veel statistische analyses doen en computermodellen maken van het rif. "We wilden het concept bewijzen dat we zelfgeorganiseerde ruimtelijke patronen kunnen bestuderen door dit soort beelden te analyseren. Dit zou ook interessant kunnen zijn voor andere diepzee ecosystemen."

Langzame aanpassing aan veranderingen in het milieu

Interessant genoeg vonden we regelmatige patronen in het voorkomen van koudwaterkoralen. Deze patronen vertellen veel over hoe deze diepzeeriffen zich vormen en hoe ze veranderen als het klimaat verandert. Van koudwaterkoralen wordt gedacht dat ze erg gevoelig zijn voor veranderingen. Ze groeien en ontwikkelen zich heel langzaam. Maar dit nieuwe onderzoek laat zien dat de koralen in staat zouden kunnen zijn om hun rifconfiguratie aan te passen aan veranderingen in het milieu.

Een basis voor herstel

Bovendien worden de patronen gevonden in het dode en ook in het levende koraal. Dit betekent dat het raamwerk van dode koralen sjabloonpatronen levert die het herstel van levende koralen vergemakkelijken. "Deze bevinding is belangrijk voor het herstel van diepzeekoraalriffen," zegt Van der Kaaden. "Bovendien vertelt het ons dat bodemsleepnetten zeer schadelijk zijn voor de koudwaterkoraalriffen, omdat ze deze sjabloonpatronen voor koraalherstel vernietigen."

Uitdagend onderzoek

Het is onmogelijk om grootschalige foto's of scans te maken van diepzee-ecosystemen zoals koudwaterkoraalriffen. Door de duisternis in de diepzee is er alleen foto- en videomateriaal beschikbaar dat op enkele meters afstand van de zeebodem is gemaakt. Het bestuderen van patronen in het beschikbare videomateriaal was een uitdaging voor Van der Kaaden. Ze keek naar het ecosysteem van de diepzee alsof ze door een smalle buis keek. Ze was blij bewijs te vinden voor patronen in koudwaterkoraalriffen. Vergelijk het met het bestuderen van een duinlandschap met informatie die je direct kunt zien naast het pad waarop je loopt - meer niet. Van der Kaaden gebruikte wiskundige hulpmiddelen om informatie te krijgen over terugkerende patronen in het lint van beelden van de zeebodem. "Ik was erg blij dat de methode werkte; dat we regelmatige patronen vonden die wijzen op zelforganisatie. Het was een verrassing dat we de regelmatige patronen in het levende èn dode koraal apart konden bestuderen. Door beide te vergelijken kregen we veel extra informatie."