Meistaradagur náttúruvísinda - Janúar 2022

Leiðbeinendur: Mariana Lucia Tamayo og Ólafur Karl Nielsen

Ágrip
Rjúpan (Lagopus muta) er mikilvægasta bráð skotveiðimanna á Íslandi og hún er að auki lykiltegund í fæðuvef á þurrlendi. Vöktun tegundarinnar er stór þáttur í því að tryggja sjálfbæra nýtingu stofnsins. Þéttleiki óðalskarra er einn af þeim stofnþáttum sem vaktaður er árvisst. Frá 1999 hafa rjúpur verið taldar á vegsniðum samkvæmt aðferðafræði sem kölluð er distance sampling. Markmið þessa verkefnis er að sannreyna gildi vegsniða og nota stofnvísitölur byggðar á slíkum talningum til að rannsaka stofnbreytingar hjá rjúpu, leitni í stofnstærð og fylgni á milli svæða í fjölda fugla. Gögnunum var safnað á 18 vegsniðum á árunum 1999–2020. Samanburður á stofnvísitölum, sem fengust með vegsniðum og vísitölum af sömu svæðum en safnað á annan máta, sýnir að vegsnið eru áreiðanleg aðferð til að telja rjúpur. Gangverk stofnbreytinga var rannsakað með ólínulegri tímaraðagreiningu. Aðeins fjórar af tímaröðunum sýna merki um stofnsveiflu (marktækur sjálffylgnistuðull við hálfa lengd sveiflu), sveiflutíminn er 5 ár (tvö tilvik), og 10 og 14 ár. ARX líkön sýna enga leitni í stofnstærð í 9 tilvikum, en þrjár stofnvísitölur gefa til kynna jákvæða leitni og tvær neikvæða leitni í þróun stofnvísitölu. Samsvörun í stofnvísitölu er algeng á milli nálægra talningasvæða, en hliðrun um eitt ár er tíðari með aukinni fjarlægð á milli svæða. Þessar tímaraðir eru enn tiltölulega stuttar og það ber að hafa í huga við túlkun gagna.

Advisors:  Mariana Lucia Tamayo and Ólafur Karl Nielsen

Abstract
The rock ptarmigan (Lagopus muta) is the most important game bird in Iceland and a keystone species within the terrestrial food web, making monitoring of its population essential to assure a sustainable harvest. One of the population factors monitored is spring density of territorial cocks, surveyed yearly in all parts of Iceland. Since 1999, ptarmigan counts have been conducted also on road transects using the distance sampling technique. The goal of this study is to validate the road transect approach and use the obtained population indices to study rock ptarmigan population dynamics, trends, and synchrony in numbers among populations. The data analysed in this study was collected on 18 road transects for 1999–2020. Comparison of time series derived using road transects and time series from same areas but surveyed with different techniques, confirms the reliability of the road transects approach. The population dynamics were studied using nonlinear time series modelling. Only four of the time series show significant signs of cyclicality (significant autocorrelation at half the dominant period), with a period of 5 (in two cases), 10 and 14 years.  Fitted ARX models show no trend in density for nine time series, while three series show a positive trend and two a negative trend. Synchrony among populations is common between adjacent areas, while one-year lag is more common with increasing distance between areas. The derived time series are still relatively short and this should be kept in mind when interpreting the results.

Leiðbeinandi: Steffen Mischke

Einnig í meistaranefnd: Guðfinna Aðalgeirsdóttir

Ágrip
Nihewan dældin er þekkt fyrir að vera auðug af pleistósen steingervingum risa fánunar og fjölda fornra gripa frummanna. Margir fornleifauppgreftir hafa átt sér stað í dældinni undanfarin 100 ár. Þrátt fyrir það hafa ekki verið gerðar þverfaglegar setlaga og steingervinga rannsóknir til að endurskapa fornloftslag frummanna í NA Asíu.
Í júni, 2019 hófst sýnasöfnun úr opnu T3 í Nihewan dældinni með því markmiði að rannsaka umhverfisþætti í byrjun pleistósen í fornleifarannsóknarstaðnum Dachangliang. Opnan er 50.5 m og spannar 400.000 ár eða frá 1.7 til 1.3 Ma. Kornastærðargreining á opnunni sýnir fram á að samsetning setsins er að mestu silt blandað sandi. Ráðandi byggingarlag setlagana er lárétt lagskipting sem liggur þvert á opnuna. Alls fundust 13 tegundir af skelkröbbum (smá krabbadýr) í opnunni en henni var skipt niður í fjórar einingar sem byggð var á setgerðum og kornastærð. Eining 1 nær frá botni opnunar upp í 7.5 m hæð og er samsett úr lárett lagskiptu silti. Ríkjandi skelkrabbategund er Ilyocypris sem endurspeglar ferksvatns umhverfi. Einnig fundust níu skeljar af sniglum. Eining 2 spannar 7.5 m til 16.2 m hæð, samsett úr einsleitu seti úr silt eða sandi. Ríkjandi skelkrabbategund er Limnocythere flexa. Lifandi eintaki af þessari tegund hefur enn ekki verið lýst og er hún að öllum líkindum útdauð. Eining 3 nær frá 16.2 m að 40 m, er ráðandi kornastærð silt eða sand blandað silt. Iliocypris er ríkjandi skelkrabbategundin en einnig fundust 69 skeljar af sniglum í einingu 3. Eining 4 nær frá 40 til 50.5 m og er úr einsleitu silti. Ríkjandi skelkrabbategundin er Limnocythere flexa.
Niðurstöður rannsóknarinnar benda til þess að fyrir 1.7- 1.3 milljónum ára hafi ferksvatns umhverfi verið ríkjandi þegar setlögin í opnu T3 voru að hlaðast upp. Niðurstöður benda einnig til þess að auðugt/fjölbreytt dýralíf hafi þrifist í vel grónu votlendi þar sem innflæði ferskvatns gætti. Það má því leiða að því líkum að fyrir 400 ka tímabil hafi á köflum verið grunnt stöðuvatn eða votlendi í Nihewan dældinni. Umhverfisbreytingar á svæðinu eru tiltölulega litlar sérstaklega þegar tekið er tillit til lengdar þess tíma sem rannsóknin spanna , þar að segja 400 k

Advisor: Steffen Mischke

Also in the masters committee: Guðfinna Aðalgeirsdóttir

Abstract
The Nihewan Basin is well known for its abundance of Pleistocene megafauna fossils and the artefacts left by early hominins. There have been many archeological excavations during the last 100 years. However, a comprehensive study using sedimentological and paleontological analyses has yet to be done to reconstruct the paleoenvironment of early humans in NE Asia.
In June 2019, sediment samples were collected from a section called T3 in the Nihewan Basin to examine the environmental characteristics of the Dachangliang archeological site during the early Pleistocene. The T3 sequence is 50.5 m thick and spans from 1.7 to 1.3 Ma.
The grain-size analysis demonstrates that the lithology of section T3 is dominated by sandy silt. Horizontal bedding is the most common structure. There were 13 species of ostracods (microcrustaceans) identified in the samples. The sequence was divided into four zones. Zone 1 spans from the base of the section up to 7.5 m. Zone 1 is dominated by silt and horizontal bedding. The dominant ostracod is Ilyocypris that prefers permanent freshwater bodies. There were nine gastropod shells found in Zone 1. Zone 2 spans the height of 7.5 to 16.2 m, with homogeneous silt or sandy silt. The dominant ostracod is Limnocythere flexa. There are no publications on extant Limnocythere flexa, and the species is probably extinct. Zone 3 ranges from 16.2 to 40 m, with silt and sandy silt as dominating grain sizes. The dominant species is Ilyocypris, and 64 gastropod shells were found in Zone 3. Zone 4 spans from 40 to 50.5 m and is dominated by homogenous silt. Limnocythere flexa is the most abundant ostracod species.
All the gathered evidence shows that the area of T3 was an aquatic environment between 1.7 and 1.3 Ma. The dominant environmental condition was an animal-rich, densely vegetated wetland with some water inflow. At some periods of time the area was occupied by a shallow lake. The inferred environmental changes are relatively minor, especially considering that the sediment accumulation at section T3 represents a relatively long period of ca. 400 ka.

Leiðbeinendur: Jörundur Svavarsson og Takeyoshi Nagai

Ágrip
Mælingar á uppleystum ögnum í sjónum hafa verið af skornum skammti vegna viðkvæmra eiginleika agnanna. Nýlega hafa rannsóknir á útbreiðslu uppleystra agna orðið háðari framþróun í myndgreiningartækni. Fjölmörg myndavélakerfi eru í notkun sem hafa áfasta umhverfisskynjara og eru hluti af stærri neðansjávarrannsóknarbúnaði. Rannsóknirnar byggja á nýju kerfi, þ.e. SUNADAYODAMCAM. Kerfið var prófað á dýptarbilinu 0-200 m á Kuroshio/Oyashio hafsvæðunum og í Tokaira sundinu við Japan. Gagnaöflun og prófanir voru gerðar á rannsóknaskipinu Shinsei Maru í mars 2021 og rannsóknarskipinu Kagoshima Maru í júní 2021. Rannsóknarsvæðin eru frjósöm vegna þeirra blöndunar sem á sér stað á næringarefnum. Fyrra rannsóknarsvæðið er á straumskilum, en í Tokaira sundinu gætir mikilla blöndunar vegna landfræðilegra áhrifa. Í rannsóknarferlinu hannaði ég nýjan MATLAB MarPar hugbúnað sem hefur reiknigetu til að vinna úr stórum myndavélagögnum og notar MATLAB forritunarumhverfið til að framkvæma eltun með Kalman síum og myndvinnslueiginleika MATLAB til að draga úr myndtruflunum. Hugbúnaðurinn MarPar var sérhannaður til að passa við myndavélagögnin frá SUNADAYODACAM og þau umhverfisskilyrði sem einkenna lóðrétt tog í hafi. MarPar framkvæmir mælingar á uppleystu lífrænu efni og reiknar út þverskurð þess niður á allt að 200 m dýpi. Niðurstöður benda meðal annars til þess að ókyrrð auki heildarmyndun á uppleystum efnum og mikilvægi ókyrrðar á magn og dreifingarhraða uppleystra efna er marktæk. Einnig sýna niðurstöður að þar sem sog á sér stað að ”downwelling” er aðaláhrifavaldur þegar kemur að magni uppleystra agna og einnig hafa uppstraumar (“upwelling”) verulega áhrif til aukningar.

Advisors:  Jörundur Svavarsson and Takeyoshi Nagai

Abstract
Due to their fragile nature, in-situ measurements of dissolved particles have been scarce. Recently, the study of dissolved particle distribution has become increasingly dependent on computer image recognition technologies. Numerous camera systems exist, some with environmental sensors, which are part of larger structures of underwater research equipment. I will present such a system, a modified SUNADAYODACAM, which has been system tested at depths ranging from 0-200 m in the Kuroshio/Oyashio ocean fronts and the Tokaira straits. Data gathering and testing were performed on the research vessel Shinsei Maru cruise in March 2021 and the research vessel Kagoshima Maru cruise in June 2021. The research areas have an elevated level of productivity due to oceanic mixing. The first study area is greatly affected by oceanic fronts that contribute to turbulent ocean mixing and availability of nutrients, while the second study area, the Tokaira straits, is highly affected by mixing due to topographic features. I developed a new MATLAB MarPar code that has numerous algorithms to process large-scale video data and uses advanced features of MATLAB blob detection, object detection and tracking features, noise removal and filters out of focus objects. Kalman filters are utilised for increased prediction accuracy of moving objects. The code was designed to fit video data from our tailor-made SUNADAYODACAM performing size and to count measurements of dissolved organic matter in a vertical depth profile of up to 200 m. Among other findings, the research outcomes suggest that turbulence enhances aggregate formation up to a critical turbulent kinetic energy dissipation rate. The main contributing factor of the amount of marine aggregate in the surface layer of the mode water is downwelling as a reducing factor and upwelling for marine snow bloom. The oceanic fronts have the greatest contrast in numbers of dissolved particles, due to these upwelling and downwelling processes.

Leiðbeinendur:   Jörundur Svavarsson og Edda Elísabet Magnúsdóttir 

Ágrip

Grindhvalir (Glopicephala melas) tilheyra ætt höfrunga og eru algengir á kaldtempruðum svæðum um allan heim. Grindhvalir eru sú hvalategund sem rekur hvað tíðast á land á heimsvísu en ástæður þessara atvika eru þó enn lítt þekktar. Rannsóknir á smærri höfrungategundum sem rekið hefur á land hafa sýnt að landreknu dýrin sem eru í slæmu líkamlegu ásigkomulagi hafa að jafnaði hærri styrkleika af kortisól í spiki en dýr í góðu ásigkomulagi. Því er talið að styrkleiki á kortisóli í spiki geti mögulega nýst sem vísir á heilbrigði dýranna áður en þau rekur á land. Í þessu rannsóknarverkefni var kortisólmagn greint í spiki landrekinna grindhvala á Íslandi og magnið borið saman við ákveðna líkamsþætti, sem og magn uppsafnaðra þrávirkra lífrænna eiturefna í spiki dýranna. Meðalstyrkleiki kortisóls var lægri í fullorðnum törfum heldur en fullorðnum kúm. Meðalstyrkleiki hormónsins var sambærilegur því sem greinst hefur í öðrum landreknum höfrungategundum, eða um sex sinnum meira magn en í höfrungum sem ekki rak á land. Burður hjá grindhvalakúm er algengur á þeim tíma þegar hvalrekinn á sér stað og getur útskýrt mun á kortisólmagni í spiki karl- og kvendýra. Líklegt er að kvendýrin upplifi aukið álag ef ungir kálfar eru í þeirra umsjá. Jákvætt samband greindist milli kortisólmagns í efstu lögum spiksins og magns PCB í spiki, sem og fituprósentu í spiki. Þessar niðurstöður benda til þess að kortisólmagn í efstu lögum spiksins gæti endurspeglað betur álag á hvalina lengra aftur í tímann en þegar hvalrekinn átti sér stað. Til að færa betri rök fyrir þeirri tilgátu þarf stærra og fjölbreyttara úrtak grindhvala. Uppsöfnun á þeim þrávirku lífrænu efnum sem mæld voru var meiri í ókynþroska einstaklingum, en á meðal fullorðinna var uppsöfnunin að jafnaði meiri í törfum en kúm. Þegar styrkleiki þrávirku lífrænu efnanna var borinn saman við þær mælingar sem hafa verið gerðar og birtar í vísindagreinum í gegnum tíðina kom í ljós að styrkleikinn hafði minnkað töluvert og reyndist oft undir þeim hættumörkum sem skilgreind hafa verið í vísindagreinum.

Advisors:  Jörundur Svavarsson and Edda Elísabet Magnúsdóttir 

Abstract

Long-finned pilot whales (Globicephala melas) are a large delphinid species and are found in cold temparate regions world wide. They are the most stranded cetaceans in the world, however, the predominant drivers of these events are poorly understood. Studies on smaller stranded dolphins have shown that animals in worse physical condition had elevated blubber cortisol levels. Thus, levels of cortisol may indicate the animal’s health prior to stranding. In this study the levels of blubber cortisol from pilot whales stranded in the north of Iceland were quantified and compared to POP levels and physical factors. The average cortisol concentration was lower on average in adult males than adult females, and were comparable to those of similarly sized stranded dolphins, which had a six-fold increase compared to non-stranded whales. Indications of sex differences may be a result of recent birthing, causing females to experience elevated stress. From a pooled sample, the PCBs and fat percentage correlated positively with cortisol levels in the top layer but not the other layers. That may be explained by the top layer representing circulatory concentrations further back in time. A larger and more diverse sample set is needed to confirm that. The accumulation of POPs was greater on average in immature individuals than adults, while among adults, males had higher concentration than females. Interestingly, POP levels showed a decreasing trend when compared to historic levels, with most levels below the suggested harmful threshold proposed in the literature.

Leiðbeinendur: Þröstur Þorsteinsson og Stephanie Alice Matti 

Ágrip
Plastmengun hefur stóraukist í höfum heimsins síðan um miðja síðustu öld vegna slæmrar meðhöndlunar úrgangs og ábyrgðarlausra framleiðsluhátta. Um 15% af öllu rusli í sjónum berst á strandir og er 60% - 90% af því plast. Á Íslandi eru það sex frjáls félagasamtök ásamt umhverfisstofnun sem hreinsa og fylgjast með plastmengun við strendur landsins. Engu að síður er enginn miðlægur gagnagrunnur sem heldur utan um plastmengun strandlengjunnar né samræmdar leiðbeiningar um söfnun og skráningu. Þessi rannsókn notar tvennskonar aðferðir til að skilja plastmengun við strendur og hvernig tekist er á við hana á Íslandi. Í magnbundna þætti rannsóknarinnar var fylgst með ákveðnu svæði á einum stað fjöruborðs á Snæfellsnesi og gögnum safnað um mengun sem barst á ströndina lotubundið í eitt ár. Eigindlegi hlutinn skoðar, með viðtölum, eftirlit með ströndum landsins í gegnum umhverfissamtök og stjórnsýsluna. Niðurstöður sýna að 78.5% af rusli, sem safnað var á meðan rannsókninni stóð, var plast. Mikil samsvörun var milli þekju sjávarþangsklasa og plastmagns sem safnast á ströndinni (R2>0.9; p<0.00001), sem hjálpar til við að skýra daglegar og árstíðabundnar breytingar í magni plastúrgangs í fjöruborðinu. Viðtölin leiddu í ljós að mun meiri áhersla er á hreinsun stranda en gagnasöfnun á Íslandi. Skortur á samhæfingu, fjármagni og lítil samskipti milli umhverfissamtaka- og stofnana virðast helstu ástæður þess að ekki hafi verið komið upp miðlægum gagnagrunni. Leiðbeiningar fyrir bæði strandeftirlit og strandhreinsun voru þróaðar, til að styðja við öflun samræmdra gagna og stuðla að reglulegri birtingu á niðurstöðum til vitundarvakningar og að upplýsa hagsmunaraðila. 

Advisors: Þröstur Þorsteinsson and Stephanie Alice Matti

Abstract
Plastic pollution has drastically increased in the world’s oceans since the mid-20th century due to poor waste management and irresponsible production. About 15% of all marine debris end-up in coastal areas, while the percentage of plastic among them range from 60% to 90%. In Iceland, six non-governmental organizations and the Environment Agency clean and monitor plastic on beaches across the country. However, there is no national database on coastal plastic pollution or coordinated data collection guidelines. This mixed methods study explores the issue of coastal plastic pollution in the Icelandic context and how it is managed. The quantitative component of the study focuses on monitoring one site in the Snæfellsnes peninsula with a seasonal accumulation survey for one year. The qualitative component investigates what is being done by environmental organizations and the Icelandic government through a series of interviews. The results show that 78.5% of all debris retrieved from the surveyed shore were plastics. Beach wracks were found to be strongly correlated with the quantities of plastic debris entering coastal environments (R2>0.9; p<0.00001), which helps explain daily and seasonal variations in debris quantities. The interviews demonstrated an overall focus on cleaning rather than collecting data in Iceland. Poor coordination, a lack of resources, and insufficient communication between environmental organizations were identified as the main barriers to establishing a coherent database. Guidelines for both beach monitoring and beach clean-ups are proposed, to support the collection of consistent data and promote the systematic publication of findings to inform advocacy and awareness raising.

Leiðbeinendur: Arnar Pálsson og Sigríður Rut Franzdóttir

Ágrip
Bleikja (Salvelinus alpinus) hefur verið skilgreind sem fjölbreytilegasta hryggdýr jarðar. Hún er mjög breytileg í formi (stærð, lit og lögun), hegðun, lífssöguþáttum og vistfræði. Í Þingvallavatni, stærsta náttúrulega vatni landsins finnast t.d. fjögur samsvæða bleikjuafbrigði. Einnig finnast mörg ólík sérsvæða afbrigði í vötnum og lindum víða um land. Í þessari ritgerð var fjölbreytileiki íslenskra bleikja rannsakaður á nokkrum ólíkum skölum, stærðar, landafræði og tíma. Frá breytileika í erfðamenginu og tjáningu gena í þroskun samsvæða afbrigða í fyrsta kaflanum, til breytileika í lífssöguþáttum í mörgum ólíkum stofnum, bæði samsvæða og sérsvæða, í seinni kaflanum. Beitt var lífupplýsingafræði og qPCR, kvarnir myndaðar og aldursgreinda og tölfræðigreiningar framkvæmdar. Niðurstöðurnar eru að þrjú gen (Sting, Hvcn1 og Med4) voru mistjáð milli afbrigða. Að auki voru 54% mistjáðra gena, sem fundust í eldri rannsókn, innan 250 kb frá breytileikum með mikið erfðaútslag milli afbrigða. Mynstur tjáningar og erfðaútslags voru flest samhljóða. Að auki sýndu gögnin að lífssöguþættir, aldur og stærð fyrir og við kynþroska, virðist hafa þróast meðal bleikjustofna sem numu ferskvatn á síðustu 12.000 árum eða skemur. Miðað við sjóbleikju þá urðu vatnableikjur kynþroska eldri og smærri, nema bleikjur sem þekktar eru sem dvergbleikjur. Bleikjur eru heppilegt kerfi til að rannsaka þróunarlegar breytingar í formi og lífssögu.

Advisors: Arnar Pálsson and Sigríður Rut Franzdóttir

Abstract

Arctic charr (Salvelinus alpinus) has been called the most variable vertebrate on the planet. It is highly diverse in morphology (size, color, and form), behavior, life history, and ecology. Lake Thingvallavatn, the biggest natural waterbody in Iceland, harbours four sympatric morphs. Moreover, allopatric charr populations in the country differ substantially. This thesis focuses on ecological variation within species on different scales, size, geology and time. Specific genetic variations in the genome and the expression of candidate genes during development in sympatric morphs of Thingvallavatn were studied in manuscript one, and variation in life-history traits in diverse populations, either in sympatry or in different watersheds, that differ in evolutionary age was analyzed, in the second manuscript. The work involved bioinformatic analyses, qPCR, otolith imaging and age-determination and various statistical analyses. The results revealed differentially expressed (Sting, Hvcn1, and Med4) genes close to (<250 kb) genetic variants with high differentiation between morphs. Moreover, 54.5% of differentially expressed genes (found in previous projects) reside in regions with strong genetic separation. The patterns of morph differences for expression and genetic separation were generally congruent. Furthermore, the data suggest the evolution of life-history traits, including age at sexual maturity and size after colonization of freshwater by sea-run (Anadromous) charr ~12.000 or fewer years ago. In comparison to anadromous charr, the resident charr mature generally when they are older and smaller, the exception being the small benthic charr.  Arctic charr are a good system to study evolution of morphology and life-history traits.