A maior migração da Terra acontece na escuridão todos os dias

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Todas as noites, em todo o mundo, trilhões de zooplâncton, muitos menores que um grão de arroz, pairam centenas de metros abaixo da superfície do mar, esperando por seu sinal.

Os cientistas por muito tempo consideraram esses pequenos animais vagabundos, manchas passivas suspensas no oceano, movidas pelos caprichos das marés e correntes. E, no entanto, pouco antes de o sol desaparecer, os enxames começam a subir em uma jornada clandestina para a superfície.

À medida que sobem, aglomerados de outros zooplanctons juntam-se: copépodes, salpas, krill e larvas de peixes. As multidões permanecem perto da superfície à noite, mas assim que os primeiros raios de luz da manhã começam a cair em cascata pelo mar, eles já estão voltando para as profundezas.

À medida que o pôr do sol e o nascer do sol deslizam de leste a oeste a cada 24 horas – através do Oceano Pacífico, depois o Índico, o Sul e o Atlântico –enxames após enxames fazem a mesma jornada ascendente, recuando quando a luz do dia retorna.

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Os humanos desconhecem esse movimento aquático diário, conhecido como migração vertical diária, mas é a maior migração de rotina da vida na Terra.

As estimativas atuais indicam que cerca de 10 bilhões de toneladas de animais fazem essas excursões todos os dias. Alguns deles sobem de mais de 3.000 pés abaixo.

É um feito surpreendente. Para uma larva de peixe de um quarto de polegada, fazer uma viagem vertical de 1.000 pés é o equivalente a um humano nadando mais de 50 milhas – em apenas uma hora ou mais. Durante a viagem estes animais passam por zonas do oceano onde as condições são muito diferentes.

A 1.000 pés, a água é de aproximadamente 39 graus Fahrenheit - talvez 20 graus mais fria do que a superfície - e a pressão é de cerca de 460 libras por polegada quadrada, mais de 30 vezes o que é no topo.

Por que um grande número de pequenos animais faria uma viagem tão árdua todos os dias? A resposta curta é comer — e evitar ser comido. Durante o dia, o zooplâncton vulnerável se esconde de predadores como lulas e peixes nas profundezas escuras.

Quando a noite começa a cair, eles correm para a superfície para se alimentar de fitoplâncton – as plantas aquáticas microscópicas que vivem nas primeiras centenas de metros de água – sob o manto da noite. Mas este é apenas o vento predominante da migração vertical.

Existem todos os tipos de contracorrentes e redemoinhos.

Agora, com sonares cada vez mais sofisticados, veículos autônomos subaquáticos e avanços no sequenciamento de DNA, os pesquisadores estão começando a entender esses detalhes.

À medida que a noite cai, trilhões de krill, copépodes, peixes-lanterna e lulas se juntam a outras criaturas que sobem das profundezas negras abaixo de 300 metros para se alimentar na zona epipelágica rica em nutrientes, a única zona oceânica que a luz solar penetra. Eles então descem para a escuridão quando a luz retorna. Grandes predadores como atum, tubarões, elefantes marinhos, salmões e golfinhos acompanham a festa, uma migração em grande parte escondida dos olhos humanos

Os detalhes ajudarão a responder a perguntas que têm implicações para a cadeia alimentar oceânica, o orçamento global de carbono e a própria natureza da vida na Terra.

Danças das Profundezas

As primeiras gravações de migração de diel datam da Segunda Guerra Mundial, quando navios e submarinos usando sonar para varrer os oceanos em busca de submarinos inimigos detectaram algo estranho – partes do fundo do mar pareciam estar se movendo para cima e para baixo, criando uma profunda “camada de dispersão” que refletia a sinais de sonar.

A camada flutuava duas vezes por dia em até 3.000 pés – mudanças que pareciam desafiar a lógica.

Em 1945, o oceanógrafo Martin Johnson embarcou em um navio de pesquisa para coletar amostras de plâncton em vários momentos e profundidades ao longo de 24 horas. “A partir dessas observações preliminares, parece haver alguma correlação direta dos animais planctônicos com a camada de dispersão”, escreveu Johnson. A proposta de que a camada era composta de criaturas vivas levantou mais perguntas do que respostas, no entanto. Responder a essas perguntas provou ser difícil.

Os animais envolvidos são minúsculos, sua passagem acontece no escuro e o oceano profundo é de difícil acesso. Rastrear enxames de organismos do tamanho de pulgas através das profundezas sem luz é mais complicado do que seguir baleias migratórias pelos hemisférios. Na década de 1990, os pesquisadores aprenderam o suficiente para descrever a migração do diel como uma nuvem de organismos subindo e descendo em uníssono.

O sonar de alta resolução captou grupos individuais de animais e movimentos mais sutis para cima e para baixo. Ainda hoje, porém, pesquisas baseadas em sonar não conseguem distinguir quais pequenos animais estão em movimento. A amostragem do zooplâncton, como Johnson fez, pode transportar os organismos para identificação, mas obscurece as nuances de tempo e local que poderiam indicar onde cada animal estava em sua jornada. Apesar desses desafios, novas pesquisas estão revelando as complexidades ocultas da migração em massa. Por um lado, o processo está intimamente ligado ao que está acontecendo nos céus. Quando o sol está ausente por semanas durante os invernos polares, alguns desses animais realinham suas migrações com os ciclos da lua. Os eclipses solares podem induzi-los a começar a nadar em direção à superfície. O zooplâncton que vive abaixo de 1.000 pés, onde a intensidade da luz é apenas 0,012 por cento do que é na superfície, pode mudar sua posição vertical em até 200 pés, pois as nuvens que passam alteram os traços de luz que os atingem, explica Deborah Steinberg, presidente do ciências biológicas no Instituto de Ciências Marinhas da Virgínia. Ela percebeu isso durante um cruzeiro de pesquisa, embora as mudanças de luz na superfície não fossem aparentes para ela ou seus colegas. “Do nosso ponto de vista sobre o navio, todos os dias do cruzeiro foram nublados, cinzentos e chuvosos”, observaram ela e seus colegas em um artigo de 2021. Mas o zooplâncton de alguma forma registrou as mudanças sutis na luz muito debaixo d’água. Veículos autônomos equipados com câmeras e dispositivos de coleta que permitem emparelhar imagens com assinaturas químicas da coluna d’água começaram a oferecer novas visões da migração. Por exemplo, Kelly J. Benoit-Bird, do Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), na Califórnia, e Mark Moline, da Universidade de Delaware, enviaram um veículo submarino autônomo a 300 metros de profundidade na Bacia Catalina, no sul da Califórnia, para fazer medições de sonar de migração de zooplâncton.

(A) borboleta do mar (crédito: R. Hopcroft, NOAA); (B) copépode (crédito: U. Kils); (C) sifonóforo (crédito: K. Raskoff, NOAA); (D) anfípode (crédito: EA Lazo-Wasem); (E) Matilha alimentando-se de um crustáceo (crédito: F. Costa); (F) lula de vidro (crédito: E. Widder, NOAA); (G) geleia de pente (crédito: A. Semenov); (H) decápode (crédito: S. Fielding); e (I) peixe-dragão (crédito: E. Widder/HBOI, NOAA).

Os ecos que ele retornou foram impressionantes: eles revelaram que o zooplâncton estava organizado em grupos bem definidos, bem agrupados por espécie e migrando juntos em subidas cuidadosamente cronometradas. “Precisamos começar a pensar nisso não apenas como um processo em massa, mas como algo individual e espécie por espécie”, diz Benoit-Bird sobre migração vertical. E o zooplâncton aventureiro não está sozinho no trajeto noturno. “Muitos animais usam isso como estratégia”, diz Benoit-Bird. Polvos, peixes-lanterna, sifonóforos e outras criaturas heterogêneas do fundo do mar também fazem a jornada noturna para evitar seus próprios predadores e encontrar comida –no caso deles, os outros migradores.

Plantas em Movimento

Os animais podem não ser os únicos a fazer a migração vertical de rotina. Kai Wirtz é professor e modelador de ecossistemas no Instituto de Sistemas Costeiros da Helmholtz-Zentrum Hereon na Alemanha. Em 2016, Wirtz e seus colegas procuravam descrever como a distribuição de diferentes fitoplânctons combinava com diferentes ambientes oceânicos. Mas ele notou que a circulação da água do oceano por si só não traria nitrogênio e fósforo suficientes das profundezas para alimentar o vasto e essencial manto de fitoplâncton do oceano na superfície.

Os cientistas sabiam há décadas que muitas espécies de fitoplâncton podem se mover – algumas alterando sua flutuabilidade, derramando gorduras ou alterando suas dimensões, e outras chicoteando seus flagelos em forma de cauda. Wirtz refletiu sobre isso enquanto olhava mais amplamente para o perfil dos oceanos: o topo está cheio de sol, mas com poucos nutrientes.

O fundo não recebe luz solar suficiente para os fotossintetizadores viverem, mas abriga uma abundância de nutrientes. Então, ele pensou, por que essas plantas não usariam suas habilidades de locomotivas evoluídas para comutar entre os dois espaços? Na verdade, ele diz, “não há outra explicação fácil”.Pelas estimativas de Wirtz, é possível que metade das espécies de fitoplâncton marinho realize uma migração vertical regular de dezenas a 30 metros, transportando nutrientes de baixo e energia solar de cima. Esses organismos microscópicos podem levar horas, dias ou até semanas para completar a jornada, alguns se reproduzindo ao longo do caminho, permitindo assim que seus descendentes continuem a missão.

Essa ideia apresenta uma mudança radical na forma como os cientistas podem pensar no fitoplâncton, que muitas vezes consideram mais um composto químico do que organismos vivos individuais com comportamentos variados.

O trabalho de laboratório confirma não apenas que as plantas marinhas se movem verticalmente, mas também que seu comportamento é mais sofisticado do que pensávamos. Uma equipe da Universidade Estadual de Washington montou tanques de água salgada de 6,5 pés de altura com fitoplâncton dinoflagelado e, em seguida, introduziu copépodes predadores em um dos tanques. Quando os cientistas replicaram os típicos ciclos de luz dia-noite, eles viram os copépodes famintos fazendo a tradicional subida noturna e descida diurna. O fitoplâncton em ambos os tanques fez o oposto – nadando durante o dia “iluminado pelo sol” e descendo à noite, provavelmente para maximizar sua exposição à luz solar e minimizar o risco de ser comido pelo zooplâncton noturno. Para espanto dos pesquisadores, porém, eles viram que as plantas unicelulares na torre com os copépodes rotineiramente recuavam ainda mais fundo do que o normal à noite, colocando mais distância entre elas e os inimigos acima.

Ninguém sabe como o fitoplâncton percebe o comportamento de seus predadores. Mas, como os pesquisadores observaram em seu artigo na Marine Ecology Progress Series , “essa resposta comportamental recém-relatada … pode ter importantes consequências ecológicas”.

Alterando o orçamento de carbono

Uma consequência da migração do fitoplâncton é a extensão das mudanças climáticas. Em 1995, Steinberg e outros cientistas estavam tentando reunir o orçamento global de carbono – a quantidade de dióxido de carbono emitida para a atmosfera e a quantidade extraída dele, em parte pelos ecossistemas marinhos.

Os números não estavam somando; mais carbono estava desaparecendo da superfície do oceano do que eles poderiam explicar. Então Steinberg deu uma olhada na escuridão. Como parte de sua pesquisa, feita no Instituto de Ciências Oceânicas das Bermudas, Steinberg costumava mergulhar durante o dia e tornou-se bem versada na fauna local. Mas então ela teve que dar um mergulho noturno. Ela mergulhou do lado de um pequeno barco acima de 13.000 pés de água escura e logo descobriu que “era uma comunidade totalmente diferente. Eu estava na água com animais de todos os tipos”, ela lembra, sua voz ainda ressoando com entusiasmo mais de um quarto de século depois. Aquela noite foi sua deixa para mudar de direção e começar a estudar a migração diária. E ela teve um pressentimento de que poderia conter parte da resposta de carbono.

Na superfície do oceano, o fitoplâncton suga uma enorme quantidade de dióxido de carbono da atmosfera, mas libera muito dele de volta ao ar, geralmente em poucos dias. À medida que o zooplâncton migratório nada à noite e come essas plantas marinhas, eles se tornam uma espécie de transportador biológico, transportando carbono para o fundo do mar, onde pode ser sequestrado por centenas ou milhares de anos.Para estudar esse movimento crucial do carbono, Michael Stukel, pesquisador de plâncton e biogeoquímica marinha da Universidade Estadual da Flórida, passa muito tempo examinando através de um microscópio as pelotas fecais do zooplâncton. As excreções individuais são pequenas, mas quando ocorrem em uma escala tão grande, assumem um significado biogeoquímico global.Pelotas fecais de migradores verticais, ricas em carbono, descem pela coluna d’água. Eles são unidos por outras partículas biológicas que afundam, criando “neve marinha” que cai lentamente no fundo do mar. Juntamente com o zooplâncton nadador carregando seus jantares carregados de carbono de volta com eles, esse sequestro global de carbono significa que o planeta “não é tão quente quanto seria de outra forma”, diz Stukel.

a – d , f a mudança entre o período da linha de base (média de 2005 a 2024) e o final do século (média de 2081 a 2100) é mostrada. a Mudança percentual na biomassa total de fitoplâncton; b mudança percentual na riqueza; c mudança percentual na uniformidade; d rotatividade da comunidade; e mudança na taxa de rotatividade da comunidade (turnover entre a média de 2061−2080 e 2081−2100 menos a média de 2011−2030 e 2031−2040); f mudança na inclinação da estrutura de tamanho da comunidade fitoplanctônica, onde valores negativos indicam uma maior abundância de tipos pequenos de fitoplâncton

As estimativas da quantidade de carbono sequestrado por organismos migratórios variam muito porque muito sobre a migração do diel permanece um mistério. Dados melhores melhorarão os modelos climáticos, o que, por sua vez, melhorará a compreensão de como as mudanças climáticas alterarão os comportamentos desses organismos – e, posteriormente, o clima novamente. “Você se depara com essas grandes questões para a humanidade, para o clima, que não podemos responder, e um bom número delas se relaciona com esses migrantes”, diz Ken Buesseler, cientista sênior da Woods Hole Oceanographic Institution.

Ato de equilíbrio

As respostas para as grandes questões restantes sobre esses migrantes provavelmente virão de trabalhos como o que está acontecendo no laboratório de Kakani Katija no MBARI. Lá ela está adicionando câmeras estereoscópicas e algoritmos de visão a veículos autônomos para que eles possam rastrear cuidadosamente os movimentos de migrantes específicos.

Ela agora pode treinar um veículo e soltá-lo para localizar um animal e segui-lo por horas.

A equipe de Katija está treinando a tecnologia em criaturas gelatinosas como os sifonóforos, que parecem vermes fantasmagóricos. Como esses animais têm tecido semitransparente e se movem de forma rápida e imprevisível, os sifonóforos são difíceis de serem vistos por um veículo autônomo, mas é isso que Katija quer: “Estamos tentando entender como tornar esses sistemas mais robustos”, diz ela. Para capturar imagens e vídeos utilizáveis, a equipe precisa de um robô que possa nadar e produzir luz – ambos podem facilmente interferir no comportamento de seus sujeitos. “Essa é uma grande preocupação”, reconhece Katija.

Uma estratégia furtiva é usar a luz vermelha, que a maioria dessas criaturas não pode ver, e um modo de cruzeiro que minimiza a turbulência. Equipados com tecnologia de sensoriamento remoto baseado em LIDAR, eles podem perscrutar a água a até 20 metros de profundidade .

Para identificar quais espécies estão se movendo, quando e para onde, os cientistas também estão vasculhando a coluna de água em busca de traços genéticos de organismos transitórios. Uma equipe deixou cair grandes garrafas de amostragem de água do mar em várias profundidades de seu navio de pesquisa enquanto flutuava no Golfo do México. Ao mesmo tempo, os pesquisadores estavam fazendo leituras de sonar da vida abaixo. A partir das amostras, eles sequenciaram fitas de DNA para deduzir quais organismos estiveram onde e quando. Os resultados, publicados em 2020, revelaram pontos mal resolvidos nas leituras simultâneas do sonar. Embora os dados do sonar sugerissem que peixes e outros alvos relativamente grandes representavam grande parte da biomassa em movimento, o DNA indicou que os copépodes e o zooplâncton gelatinoso tinham uma presença muito maior. O que os pesquisadores mais precisam, eles concordam, é uma rede global de monitores oceânicos que possam observar esses processos dia após dia para entender melhor os sistemas oceânicos antes que os humanos os interrompam ainda mais. Por exemplo, a pesca em grande escala tem sido feita quase exclusivamente na camada superficial do oceano, aumentada mais recentemente pela pesca de arrasto pelo fundo. Mas agora alguns países, incluindo a Noruega e o Paquistão, estão emitindo licenças de pesca comercial para a faixa do meio do oceano, em parte para sugar os migradores de dieta e transformá-los em alimentos para peixes cultivados e óleo de peixe.

A expansão das zonas mortas e o aumento das zonas de mínimo de oxigênio na água do oceano também estão tirando esses animais de habitats diurnos habitáveis. E as mudanças climáticas estão diminuindo a mistura de camadas de água no oceano aberto, trazendo menos nutrientes para o fitoplâncton. Menos fitoplâncton significa menos alimento para o zooplâncton migratório.

O número de tipos de fitoplâncton que aparecem (a – d ) e desaparecem (e – h) entre o período da linha de base (média de 2005 a 2024) e o período do final do século (média de 2081 a 2100) em cada um dos seis grupos: cocolitóforos ( a , e ), dos quais existem cinco tipos; diazotróficos ( b , f ), dos quais existem cinco tipos; diatomáceas (c , g), das quais existem 11 tipos; dinoflagelados mixotróficos (d , h), dos quais existem 10 tipos. Procariotos e picoeucariotos (dos quais existem dois tipos de cada) não apresentam alterações significativas. Aparência (desaparecimento) é definida como um tipo que contribui >0,1% (<0,1%) para a biomassa total.

Tudo isso significa que os cientistas que estudam esses animais estão sob crescente pressão. “Não é sempre que temos a chance na história de entender um sistema antes de ser explorado”, diz Benoit-Bird. “Sinto que estamos correndo contra o relógio.”

Para entender melhor os movimentos de trilhões de copépodes, krill e outros migrantes indescritíveis, neste verão Benoit-Bird e seus colegas retornarão ao mar. Ela espera que sua expedição com robôs submarinos, sonar, imagens e DNA ambiental possa ajudá-los a aprender como esses pequenos animais se auto-organizam durante o dia – subindo e descendo, apertando e soltando enxames para se manterem conectados com redes de outras espécies.

Enquanto isso, o sol continuará nascendo e se pondo. Ao fazê-lo, um número incontável de animais seguirá as marés submarinas de escuridão e luz, comendo, excretando e modulando o próprio equilíbrio dos elementos em nosso planeta.

Distribuição dos dados de zooplâncton modernos (pontos brancos) e antigos (pontos cinzas) usados no estudo. A mudança de temperatura da superfície do mar de 1870 a 2015 também é mostrada