Assessing the Impact of Shipping Vessel Noise on Humpback Whales

The ocean is a hub of noise. Bioacoustic noise, noise from precipitation and wind, and noise from oceanic shelf slides and other geologic processes have occurred consistently as marine species have evolved over time. However, with the discovery of oceanic oil and gas reserves, submarine systems, ship propulsion and the emergence of global trade, anthropogenic sources of sound have added significant quantities of sound to the oceanic system. Shipping has been found to be the largest input of low-frequency anthropogenic noise and Humpback Whales (Megaptera novaengliae), known to be the most vocal marine species, have an auditory sensitivity that falls within the range of frequencies emitted by shipping vessels. As Humpback Whales are heavily dependent on vocalizations, for reasons relatively unconfirmed, a better understanding of why they sing and how their communication is being impacted by vessel noise is critical. Evaluating existing literature both on Humpback behavior and communication, the mechanics of their communication, sound emissions from modern ships, oceanic sound transmission, and studies regarding Humpback's exposure to other sources of low-frequency anthropogenic noise, it is clear that more research is needed to draw any causational conclusions between vessel noise and detrimental impacts on Humpback Whales. With a projected increase in global consumption and vessel traffic, there is an urgent need for further research exploring shipping noise impacts and behavioural alterations of Humpbacks. Existing research has shown changes in Humpback communication when exposed to low-frequency sonar noise, however few studies have been conducted on their communication when in close proximity to shipping vessels. In order for the impacts to be properly assessed, preliminary understanding of humpback communication, their auditory thresholds and more studies between vessel noise exposure and Humpback Whale behavior must be conducted.

Molecular approaches to the study of invasive seaweeds

A wide range of vectors is currently introducing a plethora of alien marine species into indigenous marine species assemblages. Over the past two decades, molecular studies of non-native seaweeds, including cryptic invaders, have successfully identified the species involved and their sources; we briefly review these studies. As yet, however, little research has been directed towards examining the genetic consequences of seaweed invasions. Here we provide an overview of seaweed invasions from a genetic perspective, focusing on invader species for which the greatest amount of information is available. We review invasion processes, and rationalize evolutionary and genetic consequences for the indigenous and invader species into two main groups: (1) changes in gene-pool composition, in population structure and allele frequencies; and (2) changes in genome organization at the species level through hybridization, and in individual gene expression profiles at the levels of expressed messenger RNA and the proteome (i.e., all proteins synthesized) and thus the phenotype. We draw on studies of better-known aquatic and terrestrial organisms to point the way forward in revealing the genetic consequences of seaweed invasions. We also highlight potential applications of more recent methodological and statistical approaches, such as microarray technology, assignment tests and mixed stock analysis.

Pleistocene glaciation events shape genetic structure across the range of the American lobster, Homarus americanus

A north/south discontinuity along the northeastern coast of North America in the genetic structure of the American lobster (Homarus americanus) was detected using a suite of 13 microsatellite loci assessed using spatial analyses. Population genetic data laid over existing data on physiographic changes and sea-surface temperatures were used to reconstruct the Pleistocene distribution of this species. A postglacial northern-edge colonization model best explains the relative genetic homogeneity of the northern region compared to the southern region centred in the Gulf of Maine. Population genetic analyses identified significant structure (range of standardized theta 0-0.02) but no significant evidence for isolation by distance. The novel application of spatial genetic analyses to a marine species allowed us to interpret these results by providing a greater insight into the evolutionary factors responsible for shaping the genetic structure of this species throughout is natural range.

Resource pressure and environmental change on the North African littoral: Epipalaeolithic to Roman gastropods from Cyrenaica, Libya.

This paper discusses the marine and terrestrial shell on Epipalaeolithic to Classical-period sites in the Cyrenaican coastlands, northeast Libya, with particular reference to the Haua Fteah, with parallel studies at a late-Roman farmstead and two small caves. Together they provide evidence for coastal and terrestrial environments and for the continued nutritional importance of gastropods to humans during the Holocene. Land snail evidence is consistent with regional vegetation in coastal Cyrenaica becoming increasingly open through the Holocene, as a result of some combination of climate change and human impact. Marine species suggest that the coastline near the Haua had been rocky throughout the Holocene. At Hagfet al-Gama, changing faunas provide evidence for sand encroachment onto a previously rocky shoreline in Hellenistic times. A biometric study of Osilinus turbinatus shows that in the archaeological sites these shells are systematically smaller than modern specimens, providing evidence for long-term dietary stress in the human populations around the Haua Fteah, with particularly severe stress in parts of the Epipalaeolithic. A biometric study of Patella spp. provided evidence for size selection, but also seems to show evidence for resource pressure. It is unlikely that variations in resource pressure seen in the mollusc biometrics are the result of climatic stress or natural ecological factors and explanations must be sought in society-environment dynamics.

Ecological and societal benefits of jellyfish blooms

Jellyfish are often considered as stressors on marine ecosystems or as indicators of highly perturbed systems. Far less attention is given to the potential of such species to provide beneficial ecosystem services in their own right. In an attempt to redress this imbalance we take the liberty of portraying jellyfish in a positive light and suggest that the story is not entirely one of doom and gloom. More specifically, we outline how gelatinous marine species contribute to the four categories of ecosystem services (regulating, supporting, provisioning and cultural) defined by the Millennium Ecosystem Assessment. This discussion ranges from the role of jellyfish in carbon capture and advection to the deep ocean through to the creation of micro habitat for developing fishes and the advancement of citizen science programmes. Attention is paid also to incorporation of gelatinous species into fisheries or ecosystem level models and the mechanisms by which we can improve the transfer of information between jellyfish researchers and the wider non-specialist community.

Natural Toxicants: Tetrodotoxin

Tetrodotoxin (tetrodotoxin) is a potent neurotoxin, which shuts down electrical signaling in nerves by blocking the voltage-gated sodium channel proteins in nerve cell membranes. It was originally discovered in puffer fish but is found in a range of animal species and thought to be produced by bacteria. The toxin can be lethal to humans being 10 000 times more potent than cyanide. Human fatalities have been attributed to the ingestion of this toxin through consumption of puffer fish, a delicacy in Japan and other regions, and other marine species. The effects of tetrodotoxin poisoning onset quickly and include shortness of breath, numbness, tingling, light-headedness, paralysis, and irregular heartbeat. Treatment usually consists of respiratory assistance as no antidote has been developed. The accepted method of analysis for tetrodotoxin is the mouse bioassay, although recently more ethical assays have been developed including high performance liquid chromatography, biosensor and enzyme-linked immunosorbant assay.

One size fits all: stability of metabolic scaling under warming and ocean acidification in echinoderms

Responses by marine species to ocean acidification (OA) have recently been shown to be modulated by external factors including temperature, food supply and salinity. However the role of a fundamental biological parameter relevant to all organisms, that of body size, in governing responses to multiple stressors has been almost entirely overlooked. Recent consensus suggests allometric scaling of metabolism with body size differs between species, the commonly cited 'universal' mass scaling exponent (b) of A3/4 representing an average of exponents that naturally vary. One model, the Metabolic-Level Boundaries hypothesis, provides a testable prediction: that b will decrease within species under increasing temperature. However, no previous studies have examined how metabolic scaling may be directly affected by OA. We acclimated a wide body-mass range of three common NE Atlantic echinoderms (the sea star Asterias rubens, the brittlestars Ophiothrix fragilis and Amphiura filiformis) to two levels of pCO(2) and three temperatures, and metabolic rates were determined using closed-chamber respirometry. The results show that contrary to some models these echinoderm species possess a notable degree of stability in metabolic scaling under different abiotic conditions; the mass scaling exponent (b) varied in value between species, but not within species under different conditions. Additionally, we found no effect of OA on metabolic rates in any species. These data suggest responses to abiotic stressors are not modulated by body size in these species, as reflected in the stability of the metabolic scaling relationship. Such equivalence in response across ontogenetic size ranges has important implications for the stability of ecological food webs.

The paradox of invasion: Reeves’ muntjac deer invade the British Isles from a limited number of founding females

High levels of genetic diversity and high propagule pressure are favoured by conservation biologists as the basis for successful reintroductions and ensuring the persistence of populations. However, invasion ecologists recognize the ‘paradox of invasion’, as successful species introductions may often be characterized by limited numbers of individuals and associated genetic bottlenecks. In the present study, we used a combination of high-resolution nuclear and mitochondrial genetic markers to investigate the invasion history of Reeves' muntjac deer in the British Isles. This invasion has caused severe economic and ecological damage, with secondary spread currently a concern throughout Europe and potentially globally. Microsatellite analysis based on eight loci grouped all 176 introduced individuals studied from across the species' range in the UK into one genetic cluster, and seven mitochondrial D-loop haplotypes were recovered, two of which were present at very low frequency and were related to more common haplotypes. Our results indicate that the entire invasion can be traced to a single founding event involving a low number of females. These findings highlight the fact that even small releases of species may, if ignored, result in irreversible and costly invasion, regardless of initial genetic diversity or continual genetic influx.

Living to the range limit: consumer isotopic variation increases with environmental stress

Background: Theoretically, each species’ ecological niche is phylogenetically-determined and expressed spatially as the species’ range. However, environmental stress gradients may directly or indirectly decrease individual performance, such that the precise process delimiting a species range may not be revealed simply by studying abundance patterns. In the intertidal habitat the vertical ranges of marine species may be constrained by their abilities to tolerate thermal and desiccation stress, which may act directly or indirectly, the latter by limiting the availability of preferred trophic resources. Therefore, we expected individuals at greater shore heights to show greater variation in diet alongside lower indices of physiological condition.

Methods: We sampled the grazing gastropod Echinolittorina peruviana from the desert coastline of northern Chile at three shore heights, across eighteen regionally-representative shores. Stable isotope values (δ13C and δ15N) were extracted from E. peruviana and its putative food resources to estimate Bayesian ellipse area, carbon and nitrogen ranges and diet. Individual physiological condition was tracked by muscle % C and % N.

Results: There was an increase in isotopic variation at high shore levels, where E. peruviana’s preferred resource, tide-deposited particulate organic matter (POM), appeared to decrease in dietary contribution, and was expected to be less abundant. Both muscle % C and % N of individuals decreased with height on the shore.

Discussion: Individuals at higher stress levels appear to be less discriminating in diet, likely because of abiotic forcing, which decreases both consumer mobility and the availability of a preferred resource. Abiotic stress might be expected to increase trophic variation in other selective dietary generalist species. Where this coincides with a lower physiological condition, this may be a direct factor in setting their range limit.

Population genetics of C. Maenas : oceanography and larval dispersal

Decifrar a complexa interacção entre os ciclos de vida de espécies marinhas e a oceanografia revela-se fundamental para a compreensão do fluxo genético e da conectividade no meio marinho. Nas espécies marinhas com desenvolvimento indirecto o fluxo de genes entre populações depende da distância que separa as populações, bem como da interacção entre a duração do desenvolvimento larvar, do comportamento das larvas e dos padrões de circulação oceânica. A conectividade larvar influencia uma variedade de processos como a dinâmica de stocks e de populações, a distribuição e limites geográficos das espécies, a estrutura genética das populações e a dispersão de espécies invasivas e reveste-se consequentemente de uma importância fundamental na identificação das unidades populacionais evolucionariamente relevantes e para a gestão e conservação marinhas. Os marcadores genéticos e os Modelos Individuais Acoplados a Modelos Físico-Biológicos (“ICPBMs”) são actualmente ferramentas fundamentais para o estudo dos padrões de dispersão larvar e para avaliar o nível de conectividade populacional. A presente tese respeita à avaliação das escalas espaciais de conectividade de populações de uma espécie costeira, o caranguejo Carcinus maenas, e utiliza conjuntamente informação de marcadores genéticos, análise de séries temporais de fornecimento de larvas e um modelo numérico de circulação oceânica. O primeiro capítulo introduz a temática da conectividade em espécies marinhas e inclui algumas referências aos métodos moleculares, analíticos e de modelação seguidos ao longo da tese. Através da utilização de múltiplas ferramentas – avaliação da estrutura genética geográfica de C. maenas na sua distribuição nativa com recurso a marcadores de DNA (microssatélites) (Capítulo 2), avaliação da estrutura genética temporal das larvas que formam os eventos de fornecimento larvar à Ria de Aveiro, NW Portugal (Capítulo 3), descrição da variabilidade inter-anual do fornecimento larvar à Ria de Aveiro, NW Portugal (Capítulo 4) e validação de um modelo ICPBM que descreve os padrões observados de fornecimento (Capítulo 5) – esta tese espera poder contribuir para uma melhor compreensão dos mecanismos que regulam o fluxo de genes e a conectividade entre populações de organismos marinhos. No Capítulo 6 são apresentadas as principais conclusões da investigação. A análise genética com recurso a microssatélites indicou que as populações de C. maenas são geneticamente homogéneas ao longo de várias centenas de km, dentro da distribuição nativa da espécie. Paralelamente, não foram encontrados indícios da existência de reprodução por “sweepstakes” em C. maenas de populações da costa oeste da Península Ibérica, visto que não se obtiveram diferenças genéticas significativas entre os eventos larvares. Também não se encontrou qualquer estrutura familiar entre as larvas que formam cada episódio de fornecimento, e não houve nenhuma redução significativa da variabilidade genética das larvas quando comparada com a de caranguejos adultos. A análise de séries temporais de suprimento de larvas na Ria de Aveiro em cinco anos estudados indica que este é um fenómeno episódico e variável, sendo os maiores episódios de fornecimento coincidentes com as marés vivas e acentuados por fortes ventos de sul. O modelo ICPBM foi validado com sucesso e parece fornecer uma estimativa realística das escalas espaciais e temporais de dispersão larvar, de acordo com as observações da estrutura genética e da ausência de reprodução por “sweepstake” em C. maenas da costa oeste da Península Ibérica

Alguns aspectos da modelação ecológica na costa portuguesa (Aveiro) : efeitos físicos na distribuição de nutrientes e biomassa fitoplanctónica

O presente trabalho propõe estudar alguns aspectos da modelação ecológica na Costa Portuguesa, nomeadamente o efeito físico na distribuição de nutrientes e biomassa fitoplanctónica. O principal propósito foi implementar e validar um modelo acoplado tridimensional físico e ecológico, para a costa portuguesa, e aplicá-lo numa área limitada, a norte, por Vila do Conde e a sul pela Figueira da Foz centrada na região de Aveiro, para estudar a distribuição, vertical e horizontal, de temperatura, nutrientes e biomassa fitoplanctónica. A região em estudo está situada na costa oeste da Península Ibérica e faz parte da Região de Afloramento do Atlântico Norte. É caracterizada por condições meteorológicas onde a predominância e prevalência, durante uma grande parte do ano, de ventos de norte/noroeste, constitui um dos principais elementos forçadores do transporte para o largo das águas costeiras e consequente subida das águas mais frias e profundas, ricas em nutrientes. A estas condições juntam-se as boas condições de luminosidade e temperatura essenciais ao desenvolvimento fitoplanctónico, que servirá de alimento às espécies marinhas. Este facto, torna esta região, uma zona de elevada riqueza biológica favorável ao desenvolvimento de várias espécies marinhas, transformando este local num ecossistema de forte produtividade. O modelo foi calibrado e validado para a área em estudo e simulou com sucesso, a resposta do sistema à situação de ventos favoráveis ao afloramento costeiro para a região em estudo. Quando comparada com dados observados, os resultados mostram que o modelo é capaz de prever satisfatoriamente as distribuições superficiais e na coluna de água: da temperatura, dos nutrientes, do oxigénio e da clorofila-a. Os resultados evidenciam o crucial papel desempenhado pelos processos físicos no aumento de fitoplâncton que ocorre ao longo de uma estreita área da costa norte portuguesa, mostrando a estreita ligação entre a distribuição costeira de fitoplâncton e a distribuição costeira de temperatura, à superfície. A produtividade do fitoplâncton que ocorre nas águas costeiras não só é atribuída à disponibilidade de nutrientes mas também à intensidade luminosa. A luz e a intensidade dos ventos de norte/noroeste são os factores chave no controlo dos blooms de fitoplâncton observados nesta região de afloramento, sobretudo no Verão, nomeadamente na camada de mistura pouco profunda e junto à nutriclina. Deste modo os modelos numéricos em associação com dados in situ e imagens de satélite poderão ser considerados uma excelente ferramenta para a análise e previsão de cenários, presentes e futuros, de acções praticadas sobre o meio ambiente.

Effects of the climatic factors and anthropogenic actions in the Ria de Aveiro

A compreensão dos impactes das alterações climáticas é fundamental para a gestão a longo do prazo dos ecossistemas estuarinos. Esta compreensão só poderá ser efectiva considerando a variabilidade climática natural e o papel relativo das intervenções antropogénicas nestes ecossistemas. Assim, a presente dissertação analisa a influência das alterações climáticas e pressões antropogénicas na qualidade da água e dinâmica ecológica da Ria de Aveiro com base numa abordagem integrada, que combinou a análise de séries temporais dos últimos 25 anos e a modelação numérica de elevada resolução de cenários futuros de alterações climáticas e intervenções antropogénicas. A componente de modelação de qualidade da água e ecológica foi melhorada a vários níveis. A análise de sensibilidade do modelo 3D hidrodinâmicoecológico ECO-SELFE aplicado à Ria de Aveiro e a revisão das constantes de semi-saturação para absorção de nutrientes pelo fitoplâncton contribuíram para a precisão e robustez das aplicações. A concentração do fitoplâncton foi significativamente influenciada pelas taxas de crescimento do fitoplâncton e de mortalidade e excreção do zooplâncton, e apresentou uma sensibilidade reduzida à variação das constantes de semi-saturação na gama identificada para as diatomáceas. O acoplamento do ECO-SELFE a um modelo de campo próximo e a integração do ciclo do oxigénio aumentaram a sua capacidade de representação dos processos e das escalas espaciais relevantes. A validação do ECO-SELFE foi realizada com base num conjunto de campanhas específicas realizadas no canal de Mira. Os padrões espaciais e temporais observados para as várias variáveis (clorofila a, nutrientes, oxigénio dissolvido, salinidade, temperatura da água, correntes e níveis) foram simulados com erros menores ou semelhantes aos obtidos neste tipo de aplicações. A análise dos padrões de variabilidade espacial e temporal da qualidade da água e ecológica na Ria de Aveiro a diferentes escalas, efectuada com base nos dados históricos de 1985 a 2010 complementados pelas campanhas realizadas, sugeriu uma influência combinada da variabilidade climática e das acções antropogénicas. Os cenários futuros de alterações climáticas e intervenções antropogénicas simulados evidenciaram uma influência mais significativa das alterações climáticas quando comparadas com os efeitos das acções antropogénicas analisadas. As variações mais significativas são previstas para os cenários de subida do nível do mar, seguidos dos cenários de alterações dos regimes hidrológicos, evidenciando o papel da circulação (maré e caudal fluvial) no estabelecimento da qualidade da água e dinâmica ecológica na laguna. Para os cenários de subida do nível do mar são previstos decréscimos significativos da clorofila a e dos nutrientes a jusante e nas zonas intermédias do canal, e um aumento significativo da salinidade a montante. Estas alterações poderão favorecer modificações da composição e distribuição das comunidades, afectando a cadeia alimentar e causando uma progressão para montante de espécies marinhas. Os resultados sugerem ainda que os efeitos poderão ser mais significativos em estuários pouco profundos.

An overview of chemosynthetic symbioses in bivalves from the North Atlantic and Mediterranean Sea

Deep-sea bivalves found at hydrothermal vents, cold seeps and organic falls are sustained by chemosynthetic bacteria that ensure part or all of their carbon nutrition. These symbioses are of prime importance for the functioning of the ecosystems. Similar symbioses occur in other bivalve species living in shallow and coastal reduced habitats worldwide. In recent years, several deep-sea species have been investigated from continental margins around Europe, West Africa, eastern Americas, the Gulf of Mexico, and from hydrothermal vents on the Mid-Atlantic Ridge. In parallel, numerous, more easily accessible shallow marine species have been studied. Herein we provide a summary of the current knowledge available on chemosymbiotic bivalves in the area ranging west-to-east from the Gulf of Mexico to the Sea of Marmara, and north-to-south from the Arctic to the Gulf of Guinea. Characteristics of symbioses in 53 species from the area are summarized for each of the five bivalve families documented to harbor chemosynthetic symbionts (Mytilidae, Vesicomyidae, Solemyidae, Thyasiridae and Lucinidae). Comparisons are made between the families, with special emphasis on ecology, life cycle, and connectivity. Chemosynthetic symbioses are a major adaptation to ecosystems and habitats exposed to reducing conditions. However, relatively little is known regarding their diversity and functioning, apart from a few “model species” on which effort has focused over the last 30 yr. In the context of increasing concern about biodiversity and ecosystems, and increasing anthropogenic pressure on oceans, we advocate a better assessment of the diversity of bivalve symbioses in order to evaluate the capacities of these remarkable ecological and evolutionary units to withstand environmental change.

Efeito de um concentrado de microalgas liofilizadas na larvicultura de dourada, Sparus aurata

Dissesrtação de Mestrado, Biologia Marinha, Especialização em Pescas e Aquacultura, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2009

Resposta fisiológica e bioquímica ao jejum na dourada (sparus aurata)

Dissertação de Mestrado, Aquacultura, Unidade de Ciências e Tecnologias dos Recursos Aquáticos, Universidade do Algarve, 1997