Ecological patterns of Antarctic benthic communities and the biodiversity they harbour

Abstract

[eng] The exploration of marine environments, especially the deep sea, has been an ongoing effort. With the majority of Earth’s surface covered by oceans, the invention of SCUBA and subsequent deep-sea expeditions has expanded our understanding of marine ecosystems. However, much of the ocean remains underexplored due to its vast depths. Understanding the biodiversity and functioning of marine ecosystems is crucial for developing effective management plans to protect the oceans. In this regard, this thesis aims to understand biodiversity from various perspectives and how it can vary depending on biological or abiotic factors. Utilizing non-invasive methods with Remotely Operated Vehicles (ROVs), we investigated benthic communities in the area located in front of the Filchner-Ronne Ice-Shelf, in the southernmost part of the Weddell Sea, and in the easternmost part of the same sea, specifically at Maud Rise and Astrid Ridge, covering a depth range from 251 to 1989 meters.

Firstly, we examined the relationship between different demersal fish species and benthic communities comprised of various ecosystem engineers. The study demonstrated that the majority of observed fish species were positively associated with structurally complex ecosystems, with juvenile specimens predominantly found resting or hiding among the engineer organisms. Secondly, we described anthozoan communities on two seamounts and revealed significant biodiversity differences compared to the nearby plain and even between the two seamounts. The reason for these observed differences is partly due to the factor defined by the seamount itself, the region within it (summit vs. slope), the type of substrate and hydrodynamics. Lastly, with the aim of further understanding the biodiversity of one of these seamounts, a Chrysogorgia colony was sampled, revealing that the colony belonged to an undescribed species. After the recent review of this genus, it appears that this new species is the only representative of Chrysogorgia in the Southern Ocean. While only one sample of this species exists, its colonial morphology characteristics and proximity suggest potential sightings on two other occasions on the same seamount. However, the oceanographic peculiarities of seamounts raise the question of whether this species has an endemic distribution limited to a small region of seamounts or is more widely distributed. Overall, this thesis enhances ecological knowledge of different Antarctic benthic communities, highlighting that seemingly similar environments can exhibit significant different benthic communities and that even at small scales, notable community-level differences can be observed.

[cat] L’exploració marina, especialment en les zones més profundes, implica un esforç continu. Els oceans representen la major part de la superfície terrestre, i gràcies a la invenció del SCUBA i les expedicions al mar profund hem pogut conèixer els ecosistemes marins. No obstant això, gran part d’aquests ecosistemes romanen inexplorats, ja que es troben a molta profunditat. El coneixement de la biodiversitat i el funcionament dels ecosistemes marins és clau per desenvolupar plans de gestió realment efectius per protegir els oceans. En aquest sentit, la present tesi es planteja amb l’objectiu global d’entendre la biodiversitat des de diferents perspectives i com aquesta pot ser tan diferent o tan semblant segons quins factors biològics o abiòtics estudiem. Per això, ens hem basat principalment en una metodologia no invasiva mitjançant l’ús de vehicles operats per control remot (ROVs), aconseguint així analitzar les comunitats bentòniques presents a l’àrea marina localitzada davant del Filchner-Ronne Ice-Shelf, a la part més meridional del Mar de Weddell i a l’est del mateix mar, concretament a Maud Rise i Astrid Ridge, cobrint un rang batimètric que va des dels 251 fins als 1989 m de profunditat.

En primer lloc, hem estudiat la relació que guarden les espècies de peixos demersals amb les diverses comunitats bentòniques conformades per diferents tipus d’espècies enginyeres. Aquest estudi va demostrar que la major part de les espècies de peixos observades estaven positivament relacionades amb els ecosistemes més complexos estructuralment i que són els espècimens juvenils els que majoritàriament trobem reposant o amagant-se en aquest tipus d’ecosistemes. En segon lloc, hem descrit les comunitats d’antozous presents a dues muntanyes submarines i hem vist que la biodiversitat trobada és realment diferent a la que es troba a la plana més propera a aquestes muntanyes. I no només això, sinó que les comunitats observades mostraven grans diferències, fins i tot comparant les dues muntanyes submarines. La raó d’aquestes diferències observades es deguda en part al factor definit per la muntanya submarina en si mateixa, la zona d’aquesta (cim vs. pendent), el tipus de substrat i l’hidrodinamisme. I, finalment, amb la intenció de conèixer amb més detall la biodiversitat d’una d’aquestes muntanyes submarines, es va mostrejar una colònia de Chrysogorgia, resultant ser una espècie no descrita. A més, després d’una recent revisió del gènere, s’ha comprovat que l’espècie nova és l’única representant de Chrysogorgia a l’oceà Austral. Només disposem d’una mostra d’aquesta espècie i, per les característiques morfològiques de la colònia i la proximitat espaial, podríem dir que s’ha observat en dues ocasions més a la mateixa muntanya submarina. No obstant això, les peculiaritats oceanogràfiques de les muntanyes submarines ens plantegen l’incògnita de si és una espècie amb una distribució endèmica d’una petita regió de muntanyes o es distribueix de manera més àmplia. En general, aquesta tesi amplia el coneixement ecològic de diferents comunitats bentòniques antàrtiques, ressaltant que els entorns aparentment semblants poden exhibir comunitats bentòniques significativament diferents i que fins i tot a petita escala es poden observar diferències notables a nivell de comunitat.

[spa] La exploración marina, especialmente en las zonas más profundas, conlleva un esfuerzo continuo. Los océanos representan la mayoría de la superficie terrestre, y gracias a la invención del SCUBA y las expediciones al mar profundo hemos podido conocer los ecosistemas marinos. Sin embargo, muchos de estos ecosistemas permanecen inexplorados, debido a que gran parte se encuentran a muy elevada profundidad. El conocimiento de la biodiversidad y funcionamiento de los ecosistemas marinos es clave para desarrollar planes de gestión realmente efectivos para proteger los océanos. En este sentido, la presente tesis se plantea con el objetivo global de entender la biodiversidad desde diferentes perspectivas y cómo esta puede ser tan diferente o tan similar según los factores biológicos o abióticos que estudiemos. Para ello, nos hemos basado principalmente en una metodología no invasiva mediante el uso de vehículos operados por con- trol remoto (ROVs), logrando así analizar las comunidades bentónicas presentes en el área mari- na localizada frente a Filchner-Ronne Ice-Shelf, en la parte más al sur del mar de Weddell y en la parte más al este del mismo mar, concretamente en las montañas submarinas de Maud Rise y Astrid Ridge, cubriendo un rango batimétrico que va desde los 251 hasta 1989 m de profundidad.

En primer lugar, hemos estudiado la relación que guardan las especies de peces demersales con las diferentes comunidades bentónicas conformadas por distintos tipos de especies ingenieras. Este estudio probó que la gran parte de las especies de peces observadas estaban positivamente relacionadas con los ecosistemas más complejos estructuralmente y que son los especímenes juveniles los que mayoritariamente encontramos reposando o escondiéndose entre los organismos ingenieros. En segundo lugar, hemos descrito las comunidades de antozoos presentes en dos montañas submarinas y hemos visto que la biodiversidad encontrada es realmente diferente a la que encontramos en la planicie más próxima a dichas montañas. Y no solo eso, sino que las comunidades observadas mostraron grandes diferencias incluso comparando las dos montañas submarinas. La razón de estas diferencias observadas se debe en parte al factor definido por la montaña submarina en sí misma, la zona dentro de esta (cima vs. pendiente), el tipo de sustrato y el hidrodinamismo. Y, por último, con la intención de conocer con mayor detalle la biodiversidad de una de estas montañas submarinas, se muestreó una colonia de Chrysogorgia, resultando ser una especie no descrita. Además, tras una reciente revisión del género, se ha comprobado que la especie nueva es la única representante de Chrysogorgia en el océano Austral. Únicamente se tiene una muestra de dicha especie y, por las características morfológicas de la colonia y proximidad espacial, podríamos decir que se ha observado en dos ocasiones más en la misma montaña submarina. Sin embargo, las peculiaridades oceanográficas de las montañas submarinas nos plantean la incógnita de si es una especie con una distribución endémica de una pequeña región de montañas o se distribuye de una manera más amplia. En general, esta tesis amplia el conocimiento ecológico de diferentes comunidades bentónicas antárticas, resaltando que los entornos aparentemente similares pueden exhibir comunidades bentónicas significativamente diferentes y que incluso a pequeña escala se pueden observar diferencias notables a nivel de comunidad.