De eco-geografie van de bruine garnaal in Europa

Campos, J. 2009. De eco-geografie van de bruine garnaal in Europa
PHD Thesis, Vrije Universiteit, Amsterdam

Samenvatting English version

Langs de gehele Europese kust bepalen slechts een paar soorten het merendeel van het aantal en biomassa a organismen. Een van de talrijke soorten is de bruine of gewone garnaal Crangon crangon. Deze kleine kreeftachtige komt voor vanaf de Witte Zee in het hoge noorden in Rusland, tot in het zuiden aan de Atlantische kust van Marokko, en verder in de Middellandse en de Zwarte Zee. Al deze gebieden verschillen sterk van elkaar en de garnaal moet daarom in staat zijn zich te passen aan uiterst verschillende ecologische omstandigheden, in het bijzonder wat betreft temperatuur, zoutgehalte en voedselomstandigdheden.

Naast van ecologisch belang is de garnaal erg waardevol voor de visserij in de Noordzee en verscheidene andere gebieden (Lagune van VenetiŽ, Zwarte Zee). In het verleden was, en tot op heden nog steeds is, het commerciŽle belang de drijfveer van een groot aantal studies op verschillende niveaus, variŽrend van de fysiologische prestaties van een enkele garnaal tot de populatiedynamika van de commerciŽle visserij. Het is daarom verbazingwekkend dat ondanks de overvloed aan studies basale aspecten van de garnaal, zoals groei en de mechanismen die de populatie bepalen, nog steeds onduidelijk zijn.

Het doel van dit onderzoek was het identificeren wat kennishiaten wat betreft de garnaal en vervolgens deze trachten althans gedeeltelijk in te vullen. De samenvatting van Tiews (1970) werd gebruikt als basis, al hoewel dit overzicht van de biologie van de gewone garnaal en van de visserij al bijna 40 jaar oud is. Sindsdien is er veel onderzoek over dit onderwerp gepubliceerd en dit maakte een actualisatie noodzakelijk. Hoofdstuk 2 bevat daarom een uitgebreide literatuur studie met de levenscyclus als uitgangspunt, en opgesplitst naar gebied van voorkomen. Dit laatste vanwege het feit dat de garnaal over een groot gebied in de ondiepe Europese kust wateren onder zeer verschillende omstandigheden voorkomt, vanaf de 34ste tot 67ste noorderbreedte.

Het is verrassend dat in verscheidene onderzoeksgebieden bijna geen voortgang is geboekt. Sinds de publicatie van Tiews (1970) is nog steeds de taxonomie van de Crangon crangon onduidelijk. Verder kan er ook niet worden uitgesloten dat er langs de Europese kust meerdere genetisch verschillende populaties bestaan. Dit zou met behulp van moleculaire onderzoeksmethoden moeten worden uitgezocht. Hiernaast ontbreekt ook basale kennis omtrent de condities voor de groei in relatie tot biotische en abiotische factoren, inclusief de mogelijke zogeheten countergradient growth compensation (het vermogen om in koudere streken harder te groeien bij dezelfde temperaturen). Verder vond Tiews (1970) al een verschil in groei tussen mannelijke en vrouwelijke garnalen. Alhoewel beide geslachten kunnen worden geÔdentificeerd met behulp van uitwendige kenmerken, werdt dit in veldstudies tot nu toe niet gedaan. Gedetailleerde informatie over de groei zou inzicht verschaffen over de structuur en dynamiek van de C. crangon populatie over zijn verspreidingsgebied en gedetailleerde studies aan recruitering mogelijk maken. Uiteindleijk zou dit kunnen leiden tot inzicht in hoeverre life history parameters varieren over het verspreidingsgebied.

Om na te gaan in hoeverre er verschillende sub populaties onderscheiden kunnen worden, werden twee methoden toegepast: [1] een klassiek morfologisch onderzoek, gebaseerd op de grootte van een aantal morfologische kenmerken, en [2] een genetische analyse waarbij dezelfde monsters werden gebruikt. Deze monsters waren genomen op een 25-tal locaties verspreid over de gehele geografische verdeling van deze soort; alleen de Witte Zee ontbrak.

Eerder onderzoek in de Engelse wateren suggereerde, gebaseerd op morfologische kenmerken, het bestaan van sub-populatie structuur op een kleine lokale schaal (100 km). In Hoofdstuk 3 is dit onderzoek uitgebreid naar alle gebieden waar de Crangon crangon voorkomt en is onderzocht of dezelfde methode kon worden toegepast om de sub-populatie structuur te beschrijven op een veel grotere schaal (1000 km). De 25 gewone garnaal monsters verschaften informatie over de ruimtelijke variaties in morfologische eigenschappen. Daarnaast zijn voor vier locaties (BodÝ, Noorwegen; de Wadden Zee, Nederland; Minho and Lima estuaria, Portugal) de variaties van morfologische kenmerken in de tijd bepaald.

Morfologische verschillen tussen belangrijke zoogeografische gebieden maken het mogelijk om duidelijk onderscheid te maken tussen de populaties van de Adriatische Zee, de Zwarte Zee, de Middellandse Zee en het Noord-Oosten van de Atlantische Oceaan. Tegen de verwachting in kunnen, op een lokale schaal, sub-populaties vaak niet worden geÔdentificeerd door de grote variaties tussen de individuele garnalen zelf, wat verward kan worden met variaties over de tijd. De morfologische methode kan daarom niet gebruikt worden om verschillende populaties te onderscheiden op een kleine ruimtelijke schaal.

Taxonomie en de genetische structuur werd onderzocht in Hoofdstuk 4 door de volgorde te bepalen van een 388 bp fragment van de Cytochrome-coxidase I gen voor 140 exemplaren verzameld over dezelfde 25 locaties als voor de morfologische studie. Tegelijkertijd werden ook enkele andere Crangon soorten geanalyseerd: C. alaskensis van de kust van de staat Washington, USA en van Kodiak eiland in de staat Alaska; C. septemspinosa uit Tuckerton, New Jersey; C. cassiope uit de baai van Wakasa en C. amurensis uit de baai van Tedai, Japan.

Het genetisch onderzoek toonde een duidelijke populatie structuur aan. Verrassend genoeg, werden er slechts vier grote phylogeografische groepen gevonden: het Noord-Oosten van de Atlantische Oceaan, het westen van de Middellandse Zee, de Adriatische Zee en de Zwarte Zee. Deze groepen komen duidelijk overeen met verschillende geografische gebieden, identiek als die van de morfologische studie. Dit suggereert dat er weinig uitwisseling is van genen tussen de verschillende gebieden. De biogeografische historie van het taxon Crangon komt goed overeen met hoe de garnaal zich heeft verspreid gedurende de laatste millennia. De populaties in het westen van de Middellandse Zee zijn de oudsten en het meest gevarieerd van alle vier de groepen. De groepen in de Zwarte en Middellandse Zee staan momenteel niet in contact met elkaar alhoewel de kolonisatie van de Zwarte Zee vrij recentelijk heeft plaatsgevonden, waarschijnlijk 7000 jaar geleden of eerder. Het was opvallend dat in het Noord- Oosten van de Atlantische Oceaan een enkele homogene populatie werd gevonden vanaf Marokko tot IJsland en de Baltische Zee. Dit kan misschien het resultaat zijn van een recente kolonisatie na de laatste ijstijd in het late Pleistoceen, ondanks de eerder genoemde beperkte gene flow tussen de gebieden.

Naar aanleiding van de waargenomen genetische populatiestructuur werd besloten om de verdere aandacht te richten op de populatie langs de Noordoostelijke Atlantische oceaan. De Middellandse, Adriatische en Zwarte Zee werden beschouwd als genetisch aparte groepen. Uit de literatuur studie (Hoofdstuk 2) kwam verder naar voren het ontbreken van kennis omtrent de biotische en abiotische factoren die de groei bepalen. In Hoofdstuk 5 worden uitvoerige laboratorium proeven beschreven met jonge garnalen waarbij groeisnelheid als functie van watertemperatuur bepaald werd. De proeven werden onder vergelijkbare omstandigheden uitgevoerd met drie populaties 168 respectievelijk uit BodÝ, Noorwegen, in het noorden, uit de Wadden Zee, Nederland en uit Minho, Portugal, in het zuiden. Op deze manier kon de groei voor verschillende breedtegraden worden onderzocht. Kreeftachtigen zoals Crangon groeien niet continue maar door het periodieke vervangen van hun harde uitwendige skelet in een proces dat vervelling of ecdysis wordt genoemd. De toename in grootte van het uitwendige skelet na vervelling is klein. De groeisnelheid hangt daarom af van hoe vaak vervelling plaatsvindt en hoe groot het uitwendige skelet groeit na iedere vervelling. Om deze twee factoren te analyseren werd de groei aan de hand van individuele garnalen bestudeerd.

Helaas kon voor de Wadden Zee geen betrouwbare data worden verkregen. Zoal verwacht groeien de jonge garnalen in beide andere populaties sneller bij hogere temperatuur. De tijd tussen het verwisselen van het exoskelet was negatief gerelateerd aan de watertemperatuur terwijl de mate van groei van ieder nieuw exoskelet een grote variatie vertoonde. Hiernaast werden er ook verschillen tussen geslacht en tussen verschillend grote garnalen gevonden. Mannelijke garnalen blijken langzamer te groeien dan vrouwelijke garnalen met een groeisnelheid die afneemt naarmate de garnaal groter wordt. Daarentegen groeien noordelijke garnalen bij dezelfde temperatuur sneller dan de zuidelijke garnalen. Dit suggereert het bestaan van een zogeheten counter gradient compensatie, die afhankelijk is van de breedtegraad.

De populatiedynamika van Crangon crangon is moeilijk te bestuderen door de lange voortplantingsperiode en de continue migratie van jonge garnalen tijdens de groei naar diepere wateren. Hierdoor moeten we ons baseren op lange termijn registraties van aantallen volwassen garnalen. In Hoofdstuk 6 worden de factoren die de dichtheid van volwassen Crangon crangon in de Wadden Zee bepalen geanalyseerd, gebruik makend van lange termijn series van het NIOZ fuiken programma dat van start ging in 1960. Dit programma verschaft informatie over de aantallen van volwassen garnalen en van verscheidene van hun predatoren. De dichtheid van de gevangen Crangon crangon volgt een jaarlijks patroon met pieken in de lente en herfst. De dichtheid in de herfst, veroorzaakt door de passerende emigratie van volwassen garnalen naar hun overwinteringsgebieden voor de kust, is consequent groter (ongeveer 5 keer) dan de dichtheid van de naar de Waddenzee terugkerende volwassen garnalen in de lente. Twee hypotheses werden getest: [1] het aantal wegtrekkende garnalen in de herfst is gerelateerd aan de dichtheid predatoren en de temperatuur gedurende de voorgaande zomermaanden, en [2] de dichtheid van volwassen garnalen die overwinteren wordt bepaald door de druk van de predatoren en de abiotische omstandigheden in de winter. Uit het onderzoek bleek dat de dichtheid van de predatoren het sterkst gerelateerd was aan de dichtheid garnalen, vooral in de herfst. De dichtheid wegtrekkende garnalen in de herfst was verder gerelateerd aan de condities in de voorgaande winter. Temperatuur en zoutgehalte waren relevante factoren die de dichtheid in de lente beÔnvloeden. Een significante positieve relatie werd ook vast gesteld tussen de dichtheid wegtrekkende garnalen in de herfst en de vangst van de commerciŽle visserij.

De relatie tussen de dichtheid garnalen in de lente en herfst in de NIOZ fuik en met de vangst van de commerciŽle visserij in de Wadden Zee (zie Hoofdstuk 6) roept de vraag op waar de vangst vandaan komt. Aangezien de garnalen zich min of meer gedurende het hele jaar voortplanten, is de vraag welke generatie het meest bijdraagt aan de piek in de vangst in de herfst. Aan de ene kant werd door R. Boddeke en zijn collega's in 1976 de stelling geponeerd dat voor de in de zomer geboren generatie de groei snel genoeg zou zijn om in de herfst al een commerciŽle grootte te bereiken. Aan de andere kant suggereerden B.R. Kuipers and R. Dapper in 1984 dat het de overlevende winter generatie was die de piek in de visvangst in de volgende herfst bepaalde. Beide argumenten verschillen door verschillende aannamen omtrent de mogelijke groei van jonge garnalen. Boddeke veronderstelt een verbazingwekkend hoge groeisnelheid vanaf de zomer tot de herfst om in slechts 4 maanden een commerciŽle grootte te bereiken. Daar tegenover hebben volgens Kuipers and Dapper de jonge garnalen 9 maanden nodig om volwassen te worden. Om deze discussie een stap dichter bij een oplossing te brengen vereist inzicht in de tijd tussen het moment dat de jonge garnaal zich vestigt op de bodem en het moment dat zij volwassen en gevangen wordt. Helaas bestaat er nog steeds geen betrouwbare informatie over de groei van de garnalen in de Wadden Zee. Daarom moest een alternatieve methode worden gebruikt waarbij de keus viel op de zogeheten Dynamic Energy Budgets (DEB theorie).

Dynamic Energy Budgets beschrijven de energie stromen door een organisme, van voedselopname tot het verbruiken van energie voor onderhoud, groei, ontwikkeling and voortplanting. Sterke punten van de DEB theorie zijn dat verschillen tussen en binnen de soorten gemakkelijk in hetzelfde model gemodelleerd kunnen worden, door verschil in parameterwaarden, en dat slechts 6 parameters nodig zijn om de groei en voortplanting van een soort te voorspellen.

In Hoofdstuk 7 zijn de verschillende DEB parameters geschat voor Crangon crangon gebaseerd op aanwezige literatuurinformatie. Hierbij werd uitgegaan van continue groei, wat dus meer populatiegroei weergeeft dan individuele groei. Het verschil in grootte tussen mannelijke en vrouwelijke garnalen (maximale totale lengte van 7.5 en 9.5 cm respectievelijk) werd weerspiegeld in verschillende waarden voor een tweetal parameters: de fractie energie die gebruikt wordt voor lichaamsonderhoud en groei en de maximale oppervlakte afhankelijke voedselopname.

Met de beschikbare parameters voor zowel mannelijke als vrouwelijke C. crangon werd in Hoofdstuk 8 de Dynamic Energy Budget theorie toegepast om de maximaal mogelijke groei na te gaan onder verschillende water temperaturen. Dit zou dan de bovengrens bepalen voor de groei onder natuurlijke omstandigheden. Naast het toepassen van de DEB theorie voor de Wadden Zee populatie werden ook groeischattingen gemaakt voor de meest noordelijke en zuidelijke gebieden waar de gewone garnaal voorkomt. Hoewel de nauwkeurigheid van de geschatte waarden van de DEB parameters verder verbetert kan worden kon over het geheel het DEB model met succes worden toegepast.

De periode die de garnaal nodig heeft om te groeien vanaf het moment dat ze zich installeert op de bodem (ongeveer 0.47 cm) tot het moment dat ze groot genoeg is voor de visserij (5 cm) is korter voor vrouwelijke garnalen dan voor mannelijke garnalen. Dit geeft aan dat beide geslachten apart moeten worden bestudeerd. Maximale groei voorspellingen toonden aan dat mannelijke garnalen ongeveer 1.5 jaar nodig hebben voor de eerder genoemde groeiperiode terwijl dat voor de vrouwelijke garnalen slechts 1 jaar is. De vrouwelijke garnalen, die het grootste deel uitmaken van de commerciŽle visvangst in de herfst, moeten zich daarom al een jaar eerder hebben gevestigd in de Wadden Zee en komen dus waarschijnlijk voort uit de zomer generatie van dat jaar. Dit betekent dat de visvangst in de herfst niet bepaald wordt door de zomer vestiging in het huidige jaar, zoals wordt beweerd door Boddeke, noch door de winter generatie zoals Kuipers en Dappers sugereerden maar door de zomer generatie van het jaar daarvoor. Hieruit volgt dat de groei van de populatie veel kleiner moet zijn dan wordt voorgesteld door Boddeke en iets kleiner dan de door Kuipers en Dapper geschatte snelheid. De tijd die nodig is om te groeien van het moment van vestigen tot het bereiken van een grootte voor de visserij neemt toe met de breedtegraad, waarbij de vrouwelijke garnalen de helft van de tijd nodig hebben in vergelijking met de mannelijke garnalen. Inzicht in de groeiperiode voor verschillende breedtegraden vereist informatie over de perioden van vestiging en voortplanting aan de uiterste grenzen waar de garnaal voorkomt. Helaas bestaat hierover maar weinig informatie. Slechts een paar studies zijn in het verleden verricht op hoge en lage breedtegraden.

Tenslotte rest de vraag of we enige vooruitgang hebben geboekt. We hebben een beter inzicht in de genetische populatiestructuur maar het is onbekend hoe nieuwe genetische markers dit resultaat in de toekomst nog kunnen veranderen. Verder is nog steeds nauwkeuriger groei informatie gewenst: we hebben nog verificatie nodig met veld studies en informatie over de maximale mogelijke groei van populaties op andere breedtegraden. Ook kunnen de schattingen van de DEB parameters verbeterd worden: de huidige waarden zijn gebaseerd op een combinatie van diverse gegevens. Voor de verbetering van de nauwkeurigheid zijn speciaal voor dit doel toegesneden laboratorium proeven noodzakelijk. Aangezien omgevingsfactoren van invloed kunnen zijn, zou het ideaal zijn als in de toekomst een aparte set met parameters gebruikt zou worden voor iedere populatie. Tevens kan het DEB model ook gebruikt worden om voedsel condities in het veld te reconstrueren. Hiervoor is een nauwkeurige schatting van de leeftijd van de Crangon crangon noodzakelijk. In het verleden heeft men dit geprobeerd door het aantal segmenten te tellen in de buitenste antenulles en dit te relateren aan de watertemperatuur. Deze methode moet verder getest en geverifieerd worden. Andere technieken zoals proeven met markeringen zouden ook mogelijk gebruikt kunnen worden.

Dit proefschrift benadrukt de noodzaak om onderscheid te maken tussen de geslachten: de snellere groei, de grote maximale lengte en maximale leeftijd van vrouwelijke garnalen suggereert een hogere mortaliteit van mannelijke garnalen. Dit dient verder uitgezocht te worden onder natuurlijke en gecontroleerde omstandigheden. Daarnaast is informatie over de voortplanting en periode van vestiging nodig voor populaties aan de randen van het verspreidingsgebied om te in de DEB simulaties waargenomen trends te verifieren voor de noordelijke en zuidelijke populaties. Meer studies zijn nodig om te bepalen welke rol de soort speelt in het ecosysteem, met name moet worden

Volledige text in pdf formaat


Joana's project pagina