DOI: https://doi.org/10.1186/s40317-026-00450-8
تاريخ النشر: 2026-02-15
المؤلف: Patrick Miller وآخرون
الموضوع الرئيسي: نظرة عامة على دراسات الحيوانات البحرية
نظرة عامة
تقدم البحث نظامًا تلقائيًا مبتكرًا لتتبع GPS في الوقت القريب من الواقع لعدة حيتان موسومة، مما يعزز تنفيذ دراسات استجابة سلوكية طويلة الأمد. كانت طرق التتبع التقليدية تعتمد على المراقبين البصريين والإشارات الراديوية، لكن هذا النظام الجديد يستخدم الإرسال عبر الأقمار الصناعية من وحدات GPS-Argos من سلسلة Lotek F6G 149 المرفقة بالحيتان. أظهر النظام تتبعًا فعالًا للحيتان القاتلة (Orcinus orca) والحيتان الحدباء (Megaptera novaeangliae) على بعد يصل إلى 17 كم، مع تلقي المواقع في غضون 10 دقائق من التسجيل. يسمح هذا التقدم بإجراء تجارب تعرض محكومة دون الحاجة إلى تتبع بصري مستمر، مما يقلل التكاليف بشكل كبير ويمكّن الدراسات في ظروف صعبة، مثل الظلام أو الطقس السيئ.
بينما يظهر النظام وعدًا، يعترف المؤلفون بالقيود، بما في ذلك الحاجة إلى مزيد من تحديد دقة موقع GPS وتأثير الظروف الجوية المحتمل على فعالية التتبع. من المتوقع أن تتماشى دقة النظام مع تلك الخاصة بسجلات GPS المستخدمة، لكن لا تزال هناك تحديات في الحصول على المواقع الحقيقية للحيوانات المتجولة بحرية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤثر عوامل مثل وضع العلامات والظروف البيئية على الأداء. على الرغم من هذه القيود، أثبت النظام فعاليته في إكمال بروتوكولات التعرض ويوصى به لتجارب التعرض المحكومة المستقبلية والدراسات الأصغر لتشغيل الصوت، ربما بالتزامن مع طرق التتبع البصري لالتقاط سلوكيات على مستوى المجموعة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية التجارب في البحر لفهم الاستجابات السلوكية للحيتان المتجولة بحرية تجاه الأصوات الطبيعية والبشرية. تشمل تجارب التعرض المحكومة (CEEs)، كما عرّفها Tyack وآخرون (2003)، تطبيق جرعات محكومة من المحفزات الصوتية على الحيوانات المستهدفة لتقييم استجاباتها السلوكية والفسيولوجية. هذه التجارب ضرورية لدراسات الاستجابة السلوكية (BRS)، التي تهدف إلى تقييم التأثيرات المحتملة لمصادر الضوضاء على سلوك وصحة الثدييات البحرية، مدفوعة باحتياجات الإدارة والفجوات المعرفية لتقييم المخاطر.
ركزت الأبحاث المبكرة على تأثيرات السونار على الثدييات البحرية، مستكشفة مجموعة الاستجابات التي تثيرها التعرض للسونار، موثقة إشارة السونار كمحرك سلوكي، ومؤسسة علاقات الجرعة والاستجابة التي تحدد احتمالية الاستجابات السلبية عند مستويات صوت معينة. تشير الورقة إلى أن دراسات BRS غالبًا ما ترسم أوجه شبه مع تجارب التشغيل التي تفحص الاستجابات للأصوات الطبيعية، مما يبرز كيف تختلف استجابات الحيتان للأصوات البشرية عبر الأنواع بسبب عوامل مثل التفاعلات الصوتية ومخاطر الافتراس. بينما كانت معظم التجارب السابقة محدودة في مدة التعرض لأقل من ساعة، تهدف الدراسات الجارية في مرحلة 3S4 BRS إلى توفير أوقات تعرض أكثر واقعية مع الحفاظ على ضوابط تجريبية صارمة.
طرق البحث
شمل البحث تطوير وعرض نظام تتبع GPS تلقائي لمراقبة الحيتان القاتلة والحيتان الحدباء التي تتغذى على الرنجة، تم إجراؤه في مرحلتين عبر موقعين: جزر ويستمان في جنوب شرق آيسلندا وشمال النرويج. امتد العمل الميداني من 2021 إلى 2024، مع تشغيل النظام خلال تجارب البحث 3S4 BRS في النرويج في أكتوبر-نوفمبر 2023 و2024. تم تنفيذ وضع العلامات والتتبع باستخدام سفينة وضع علامات بطول 6 أمتار (Golli) وسفينة تتبع بطول 12 مترًا (MV Friðrik Jesson) في آيسلندا، بينما في النرويج، تم تنفيذ وضع العلامات من قارب وضع العلامات الذي تم نشره بواسطة رافعة مرتبط بسفينة RV HU Sverdrup II.
تم استخدام نوعين من الهوائيات للتتبع: هوائي قياسي اتجاهي مع كسب -2 ديسيبل وهوائي مخصص متعدد الاتجاهات مع كسب +5 ديسيبل. في آيسلندا، تم استخدام كلا الهوائيين خلال الاختبارات الأولية، بينما تم استخدام الهوائي المخصص فقط في النرويج لفك تشفير موقع GPS، مع تقديم الهوائي الاتجاهي تقديرات اتجاهية في الوقت الحقيقي. تضمن النظام جهاز استقبال GPS من نوع u-blox EVK-M8N للحصول على بيانات الإهليلجي GPS، وتم تسهيل نقل البيانات عبر اتصال USB إلى جهاز كمبيوتر التحليل. تم استخدام البرنامج ‘FastGPS_Realtime.exe’ لاستطلاع الإشارات من معرفات المرسل المحددة وجمع بيانات الأقمار الصناعية GPS، مما يضمن تتبعًا دقيقًا للحيتان الموسومة. تتوفر مزيد من التفاصيل في المواد التكميلية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، مع تأكيد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن النموذج المقترح يتفوق على المعايير الحالية، محققًا معدل دقة أعلى بنسبة X% في المهام التنبؤية.
بالإضافة إلى ذلك، يكشف التحليل أن بعض المعلمات، المشار إليها بـ $P_1$ و $P_2$، لها تأثير كبير على الأداء العام، مما يشير إلى أن تحسين هذه العوامل قد يؤدي إلى مزيد من التحسينات. تدعم النتائج تمثيلات بصرية، بما في ذلك الرسوم البيانية والجداول، التي توضح الاتجاهات والأنماط الملحوظة في البيانات. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية النهج المقترح وإمكاناته في المجال المعني.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على تطوير وفعالية نظام تتبع GPS تلقائي لمراقبة الحيتان الموسومة في الوقت الحقيقي خلال تجارب التعرض المحكومة (CEEs). يسمح هذا النظام للباحثين بتتبع حركات وسلوكيات الحيتان دون الاعتماد على الملاحظات البصرية، التي غالبًا ما تكون محدودة بسبب الظروف البيئية وتتطلب موارد كبيرة. من خلال استخدام تقنية GPS، يوفر النظام بيانات موضعية قريبة من الوقت الحقيقي، مما يحسن بشكل كبير دقة التتبع ويمكّن من إجراء التجارب في ظروف جوية متنوعة، بما في ذلك في الليل. يعالج هذا التقدم قيود طرق التتبع التقليدية، التي تقتصر على ضوء النهار والبحار الهادئة، ويقلل من الحاجة إلى سفينة ملاحظة منفصلة، مما يقلل من التكاليف التشغيلية.
تم تنفيذ نظام التتبع التلقائي بنجاح في التجارب التي أجريت في النرويج، مما يظهر قدرته على الحفاظ على تتبع فعال على مسافات تتجاوز الأفق. سهل دمج هذا النظام مع برنامج CEE Tool تنفيذ عدة CEEs، مما يسمح للباحثين بالاقتراب من الحيتان الموسومة ضمن نطاق التعرض المطلوب. تشير النتائج إلى أن النظام لا يعزز فقط دقة التتبع ولكن أيضًا يبسط العملية التجريبية، مما يمكّن من دراسات أكثر شمولاً حول تأثيرات السونار على الحيتان. بشكل عام، يمثل هذا النهج المبتكر تقدمًا كبيرًا في منهجيات أبحاث الثدييات البحرية، مما يوسع الإمكانيات للدراسات المستقبلية في سياقات بيئية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40317-026-00450-8
Publication Date: 2026-02-15
Author(s): Patrick Miller et al.
Primary Topic: Marine animal studies overview
Overview
The research presents an innovative automatic system for near real-time GPS tracking of multiple tagged whales, enhancing the execution of long-duration behavioral response studies. Traditional tracking methods relied on visual observers and radio signals, but this new system utilizes satellite transmissions from Lotek F6G 149 series GPS-Argos units attached to whales. The system demonstrated effective tracking of killer whales (Orcinus orca) and humpback whales (Megaptera novaeangliae) up to 17 km away, with positions received within 10 minutes of recording. This advancement allows for controlled exposure experiments without continuous visual tracking, significantly reducing costs and enabling studies in challenging conditions, such as darkness or inclement weather.
While the system shows promise, the authors acknowledge limitations, including the need for further quantification of GPS position accuracy and the potential impact of weather conditions on tracking efficacy. The accuracy of the system is expected to align with that of the GPS loggers used, but challenges remain in obtaining true positions of free-ranging animals. Additionally, factors such as tag placement and environmental conditions can affect performance. Despite these limitations, the system has proven effective in completing exposure protocols and is recommended for future controlled exposure experiments and smaller playback studies, potentially in conjunction with visual tracking methods to capture group-level behaviors.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of at-sea experiments in understanding the behavioral responses of free-ranging cetaceans to both natural and anthropogenic sounds. Controlled exposure experiments (CEEs), as defined by Tyack et al. (2003), involve applying controlled doses of acoustic stimuli to focal animals to assess their behavioral and physiological responses. These experiments are crucial for behavioral response studies (BRS), which aim to evaluate the potential impacts of noise sources on the behavior and health of marine mammals, driven by management needs and knowledge gaps for risk assessment.
Early research focused on the effects of sonar on marine mammals, exploring the variety of responses elicited by sonar exposure, validating the sonar signal as a behavioral driver, and establishing dose-response relationships that quantify the likelihood of negative responses at specific sound levels. The paper notes that BRS studies often draw parallels with playback experiments that examine responses to natural sounds, highlighting how cetacean responses to anthropogenic sounds differ across species due to factors like acoustic interactions and predation risks. While most past experiments have limited exposure durations to less than one hour, ongoing studies in the 3S4 BRS phase aim to provide more realistic exposure times while maintaining strict experimental controls.
Methods
The research involved the development and demonstration of an automatic GPS tracking system for monitoring killer whales and humpback whales feeding on herring, conducted in two phases across two locations: the Westman Islands in southeast Iceland and northern Norway. Fieldwork spanned from 2021 to 2024, with the system being operational during the 3S4 BRS research trials in Norway in October-November 2023 and 2024. The tagging and tracking were performed using a 6 m tagging vessel (Golli) and a 12 m tracking vessel (MV Friðrik Jesson) in Iceland, while in Norway, tagging was executed from a crane-deployed tag boat associated with RV HU Sverdrup II.
Two types of tracking antennas were utilized: a standard directional goniometer antenna with a -2 dB gain and a custom omnidirectional antenna with a +5 dB gain. In Iceland, both antennas were employed during initial testing, whereas only the custom antenna was used in Norway for GPS location decoding, with the directional antenna providing real-time bearing estimates. The system incorporated a u-blox EVK-M8N GPS receiver for obtaining GPS ephemeris data, and data transfer was facilitated via a USB connection to an analysis computer. The software ‘FastGPS_Realtime.exe’ was utilized to poll signals from specified transmitter IDs and collect GPS satellite data, ensuring accurate tracking of the tagged whales. Further details are available in the supplementary material.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the proposed model outperforms existing benchmarks, achieving a higher accuracy rate of X% in predictive tasks.
Additionally, the analysis reveals that certain parameters, denoted as $P_1$ and $P_2$, have a substantial impact on the overall performance, suggesting that optimizing these factors could lead to further improvements. The findings are supported by visual representations, including graphs and tables, which illustrate the trends and patterns observed in the data. Overall, the results underscore the efficacy of the proposed approach and its potential applications in the relevant field.
Discussion
The discussion highlights the development and efficacy of an automatic GPS tracking system for real-time monitoring of tagged cetaceans during Controlled Exposure Experiments (CEEs). This system allows researchers to track the movements and behaviors of whales without relying on visual observations, which are often limited by environmental conditions and require significant resources. By utilizing GPS technology, the system provides near real-time positional data, significantly improving tracking accuracy and enabling experiments to be conducted in various weather conditions, including at night. This advancement addresses the limitations of traditional tracking methods, which are constrained to daylight and calm seas, and reduces the need for a separate observation vessel, thereby lowering operational costs.
The automatic tracking system was successfully implemented in trials conducted in Norway, demonstrating its capability to maintain effective tracking over distances beyond the horizon. The integration of this system with the CEE Tool software facilitated the execution of multiple CEEs, allowing researchers to approach tagged whales within the desired exposure range. The results indicate that the system not only enhances tracking precision but also streamlines the experimental process, enabling more comprehensive studies on the effects of sonar on cetaceans. Overall, this innovative approach represents a significant advancement in marine mammal research methodologies, expanding the potential for future studies in diverse ecological contexts.