PenguinERA: Ecology, Reproduction and Adaptation of a Sentinel Species for Climate Change.

PenguinERA propone un approccio multidisciplinare avanzato per valutare le risposte bio-ecologiche e i parametri genetici in relazione alle conseguenze dei cambiamenti climatici. Nel corso della loro storia evolutiva gli organismi antartici hanno infatti sperimentato diverse pressioni ambientali che hanno prodotto le forme di adattamento che vediamo oggi. Tuttavia, gli impatti naturali e antropici aumentano la velocità dei cambiamenti, sfidando la capacità di adattamento degli organismi. Si stima inoltre che nelle regioni polari, nei prossimi dieci anni, il cambiamento climatico e le attività antropiche saranno più pronunciate. Il pinguino di Adelia è considerato una specie sentinella degli effetti dei cambiamenti climatici sull'ecosistema antartico poiché riflette i cambiamenti dell’habitat e della disponibilità di risorse. Le ricerche sulla fenologia di popolazione dei pigoscelidi riportano variazioni annuali, sia a livello locale che regionale, ma le informazioni risultano ancora carenti. Dal momento che lo stato di salute e la fisiologia degli uccelli marini sono intimamente legati agli adattamenti necessari alla loro sopravvivenza, è necessario identificare nuovi strumenti analitici per individuare un punto di riferimento rispetto al quale saranno confrontate informazioni future. Mettere in relazione gli indici individuali e l’ecologia della popolazione alla scala dei processi ecologici e delle proiezioni climatiche può consentire di valutare aspetti chiave per la comprensione dei cambiamenti dell’ecosistema in un contesto più ampio. La collaborazione con i partner internazionali utilizzando la tecnologia recente e innovativa, si è articolata attraverso la stretta collaborazione e concertazione delle tre unità di ricerca e del personale esperto sia nella raccolta di dati sul lavoro sul campo in Antartide, sia nella messa a punto di una serie di indagini analitiche su dati e su campioni non distruttivi.

1. Indagare la dinamica di popolazione, la struttura e la stabilità genetica del pinguino di Adelia nella zona di Baia Terra Nova e Wood Bay, con particolare attenzione alla biologia riproduttiva e all'ecologia marina (aree di foraggiamento e rotte migratorie) in relazione al cambiamento climatico.

2. Continuare la raccolta di dati sulla popolazione di pinguino Adelia a Edmonson Point per il CCAMLR Ecosystem Monitoring Program.

3. Individuare attraverso le analisi di campioni non distruttivi una serie di proxy dello stato di salute dei pinguini. Integrare i proxy con le risposte bioecologiche e i parametri genetici per stabilire una linea di base rispetto a cui possano essere rilevati futuri segnali del cambiamento dell’ecosistema.

4. Applicare la tecnologia più recente, utilizzando sistemi di registrazione automatizzata dei dati e delle immagini per incrementare le osservazioni a lungo termine riducendo la presenza umana e l'impatto sulla fauna antartica.

5. Partecipare al dibattito scientifico attraverso workshop e scambi di ricercatori per rafforzare la cooperazione della comunità scientifica internazionale, contribuire alla rete esistente di esperti e di dati per promuovere un approccio analitico comune per la conservazione della fauna antartica in un'area di alto valore scientifico ed ecologico.

La ricerca è stata svolta durante il biennio 2017-2019 (XXXIII e XXXIV spedizione) in tre colonie di studio: Edmonson Point (74°20’ S, 165°08’ E), Adélie Cove (74°46’ S,164° E) e Inexpressible Island (74°54’ S, 163°39’ E), con la presenza in Antartide dei ricercatori. La ricerca è proseguita anche durante la stagione 2019/20 (XXXV spedizione), tramite l’acquisizione di dati in remoto.

Gli obiettivi di PenguinERA sono stati tutti ampiamente raggiunti. I risultati ottenuti e le future ulteriori elaborazioni, in itinere, permetteranno di arricchire la serie di conoscenze sul ruolo ecologico e sulla vulnerabilità ai cambiamenti ambientali del pinguino di Adelia attraverso pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali e la compilazione di dataset internazionali.

Le stime della consistenza numerica della popolazione di pinguini di Adelia effettuate mediante censimento visivo della colonia di Edmonson Point, hanno fornito valori medi di 2704 e 2952 nidi occupati da coppie riproduttive, rispettivamente nella prima e seconda annualità (2017/18 e 2018/19). Il monitoraggio del successo riproduttivo nelle tre colonie di studio, Edmonson Point, Adélie Cove e Inexpressible Island ha mostrato un livello relativamente comparabile tra le tre colonie. Anche la mappatura spaziale dei nidi di skua, condotta nei siti di studio e nella zona della stazione Mario Zucchelli durante entrambe le spedizioni, ha permesso di ottenere informazioni sulla distribuzione locale e la sopravvivenza dei predatori terrestri del pinguino di Adelia.  Nella seconda annualità, per le colonie di Edmonson Point e di Adélie Cove, sono state realizzate per la prima volta riprese aree tramite drone, grazie alla collaborazione con ENEA UTA (R. Scipinotti e S. Pierattini). Le riprese sono state ripetute durante la spedizione 2019/20 e 2021/22 e la loro elaborazione da parte dei ricercatori ha permesso di inviare dati sulla stima di popolazione nidificante di Edmonson Point alla commissione CCAMLR (A3- Breeding population size, CCAMLR Ecosystem Monitoring Program). 

Lo studio delle aree di foraggiamento tramite telemetria satellitare si è svolto in entrambe le annualità. Sono stati tracciati oltre 114 viaggi tra la colonia e il mare grazie all’applicazione dei trasmettitori Kiwisat (Sirtrack) e Splashtag e Spot tag (Wildlife Computers) su 38 adulti riproduttori. I tracciati mostrano che i pinguini si nutrivano tra il fast ice e il pack ice nelle vicinanze di Terra Nova Bay e Wood Bay. Lo studio delle aree di svernamento si è svolto a cavallo delle due spedizioni tramite geolocalizzatori (modello MK3 Lotek-Biotrack) applicati a 40 individui nella colonia di Edmonson Point nel corso della prima spedizione. Tali dati sono stati elaborati in collaborazione con Grant Ballard (USAP) mediante i software BASTrack e R (v. 4.0.3). Tutti i dati di telemetria satellitare e di migrazione annuale sono in fase di revisione, combinati in un unico dataset che comprenderà anche il periodo 2014-15, 2015-16, per l’elaborazione statistica ai fini di una pubblicazione. 

La struttura genetica delle tre colonie in studio è stata indagata mediante analisi STR, considerando 86 individui in toto e marcatori genetici molecolari. I risultati indicano dinamiche di metapopolazione e, possibilmente, una relazione tra struttura genetica e qualità dell’habitat per i pinguini. In generale, una bassa diversità genetica è stata osservata in ciascuna colonia, che contrasta con una eterogeneità genetica significative tra le colonie. Questi risultati suggeriscono una significativa struttura genetica delle popolazioni di ciascuna colonia. I nostri risultati suggeriscono tassi di migrazione tra le colonie piuttosto bassi. Questo potrebbe dipendere dalle condizioni ambientali relativamente stabili del Mare di Ross in confronto ad altre aree antartiche, caratterizzate da un aumento delle temperature negli ultimi anni. Inoltre, mediante metodi molecolari basati su PCR in campioni biologici (penne) è stata effettuata la determinazione del sesso in 118 individui. I risultati mostrano l'affidabilità dei primer utilizzati per l'identificazione molecolare del sesso nel pinguino di Adelia, e la sensibilità anche utilizzando campioni non distruttivi (penne mature, dove la concentrazione di DNA è solitamente bassa). 

Le anomalie nucleari degli eritrociti (Erythrocytes nuclear abnormalities, ENAs), il profilo leucocitario (white blood cells, WBCs) e il rapporto eterofili-leucociti (H: L) sono stati indagati e selezionati in quanto considerati ottimi strumenti per monitorare e valutare potenziali impatti dovuti a fattori di stress nelle popolazioni di pinguino di Adelia. Durante le fasi di marcatura, è stata infatti velocemente prelevata una piccola goccia di sangue, pungendo la vena brachiale (ala) negli esemplari adulti di pinguino di Adelia. La goccia è utilizzata per ottenere un monostrato di cellule (striscio di sangue) poi analizzato in Italia. In tutti i campioni ematici analizzati appartenenti ad esemplari delle 3 colonie, è stata riscontrata la presenza di anomalie nucleari (Erythrocytes Nuclear Abnormalities, ENA), quali ad esempio i  micronuclei (MN). Dall’analisi dei dati ottenuti per ciascuna colonia, si osserva un’elevata variabilità per gli ENAs, ma i valori di MN osservati nelle tre colonie risultano altresì comparabili con quelli osservati in esemplari di colonie presenti in altre aree antartiche.

La raccolta dati medianti sistemi automatici ha permesso di proseguire la raccolta delle immagini per tre anni. La Penguin Nest Camera, lo strumento fornito dalla collaborazione con l’Australian Antarctic Division è stata lasciata in acquisizione a Edmonson Point. Tutte le immagini acquisite sono state archiviate e una copia è stata inviata in Australia per l’inserimento in un database e le successive analisi tramite apposito software per osservazioni sulla fenologia riproduttiva. La macchina fotografica time lapse, modello Cyclapse, fornita da ENEA in collaborazione con UTA (S. Dolci) è stata installata presso la colonia di Adélie Cove nel dicembre 2017. Lo strumento è stato lasciato in acquisizione. Il preesistente sistema automatico di acquisizione dati APMS presso Edmonson Point è stato mantenuto attivo dai ricercatori, da novembre a fine gennaio, durante la XXXIII, XXXIV e dal personale ENEA UTA anche durante la XXXV e XXXVI spedizione. Ci sono stati malfunzionamenti (perdita dei dati), tuttavia l’assistenza del personale tecnico presente a MZS è stata basilare per poter ripristinare lo strumento e proseguire nella raccolta dati.

La collaborazione con Il Dr. G. Ballard e il Dr. D. Ainley (National Science Foundation, USA), e la Dr. L. Emmerson e il Dr. C. Southwell (Australian Antarctic Division), alcuni tra i maggiori esperti sulla biologia del pinguino Adelia, ha permesso di arricchire i risultati ottenuti e rafforzare la rete internazionale di monitoraggio a lungo termine per la specie di studio. La ri-elaborazione di una parte di dati storici sia sulla telemetria che sulla fenologia del pinguino di Adelia raccolti ad Edmonson Point è stata oggetto di tre pubblicazioni su riviste scientifiche (Youngflesh et al 2017, Hindell et al 2020, Ropert-Coudert et al 2020).

Oltre ai risultati ottenuti da ciascun obiettivo, al momento è in corso l’elaborazione di ulteriori dati che combinerà variabili ambientali/bioecologiche (condizioni meteorologiche, concentrazione ghiaccio marino, contaminazione) e caratteristiche individuali (comportamento), per valutare alcuni aspetti chiave della biologia riproduttiva, del comportamento spaziale e della dinamica di popolazione.

Fattorini N. and Olmastroni S., 2021. Pitfalls and advances in morphometric sexing: insights from the Adélie penguin Pygoscelis adeliae. Polar Biology 44: 1563-1573. https://doi.org/10.1007/s00300-021-02893-6

Fattorini N., Silvia Olmastroni, Andrea Torre, Lucia Burrini, Emiliano Mori, Claudia Brunetti, Antonio Carapelli, Francesco Ferretti 2019. Territorial interactions in the Adélie penguin: etho- ecological determinants XX CONVEGNO ITALIANO DI ORNITOLOGIA Napoli 26-29 Settembre 2019.

Hindell Mark A., Ryan R. Reisinger, Yan Ropert-Coudert, Luis A. Hückstädt, Philip N. Trathan, Horst Bornemann, Jean-Benoît Charrassin, Steven L. Chown, Daniel P. Costa, Bruno Danis, Mary-Anne Lea, David Thompson, Leigh G. Torres, Anton P. Van de Putte, Rachael Alderman, Virginia Andrews- Goff, Ben Arthur, Grant Ballard, John Bengtson, Marthán N. Bester, Arnoldus Schytte Blix, Lars Boehme, Charles-André Bost, Peter Boveng, Jaimie Cleeland, Rochelle Constantine, Stuart Corney, Robert J. M. Crawford, Luciano Dalla Rosa, P. J. Nico de Bruyn, Karine Delord, Sébastien Descamps, Mike Double, Louise Emmerson, Mike Fedak, Ari Friedlaender, Nick Gales, Michael E. Goebel, Kimberly T. Goetz, Christophe Guinet, Simon D. Goldsworthy, Rob Harcourt, Jefferson T. Hinke, Kerstin Jerosch, Akiko Kato, Knowles R. Kerry, Roger Kirkwood, Gerald L. Kooyman, Kit M. Kovacs, Kieran Lawton, Andrew D. Lowther, Christian Lydersen, Phil O’B. Lyver, Azwianewi B. Makhado, Maria E. I. Márquez, Birgitte I. McDonald, Clive R. McMahon, Monica Muelbert, Dominik Nachtsheim, Keith W. Nicholls, Erling S. Nordøy, Silvia Olmastroni, Richard A. Phillips, Pierre Pistorius, Joachim Plötz, Klemens Pütz, Norman Ratcliffe, Peter G. Ryan, Mercedes Santos, Colin Southwell, Iain Staniland, Akinori Takahashi, Arnaud Tarroux, Wayne Trivelpiece, Ewan Wakefield, Henri Weimerskirch, Barbara Wienecke, José C. Xavier, Simon Wotherspoon, Ian D. Jonsen & Ben Raymond, 2020. Tracking of marine predators to protect Southern Ocean ecosystems. Nature (2020). 580: 87-92. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2126-y.

Mori, E., Brunetti, C., Carapelli, A., Burrini, L., Fattorini, N., Ferretti, F., Olmastroni S., 2021. Genetic diversity in clustered colonies of an Antarctic marine mesopredator: a role for habitat quality? Antarctic Science 33:233-242. https://doi.org/10.1017/S0954102021000067

Mori E., Brunetti C., Carapelli A. & Olmastroni S., 2020. Reliability of Molecular Sex Identification in the Adélie Penguin (Pygoscelis adeliae) from DNA-Poor Samples. Waterbirds 43(2) http://dx.doi.org/10.1675/063.043.0209

Olmastroni Silvia, Niccolò Fattorini, Francesco Ferretti, Emiliano Mori, Lucia Burrini, Silvia Simonetti, Francesco Pezzo, Nicoletta Ademollo, Ilaria Corsi, 2020. PenguinERA: Ecology, Reproduction and Adaptation for a climate change sentinel. Italian PNRA project for monitoring mid Victoria Land, Ross Sea, Adélie penguin population. SCAR Open Science Conference 2020 Book of Abstracts n370 ISBN: 978-0-948277-59-7.

Olmastroni, S., Fattorini, N., Pezzo, F., & Focardi S. 2020. Gone fishing: Adélie penguin site-specific foraging tactics and breeding performance. Antarctic Science, 1-11. doi:10.1017/S0954102020000085

Olmastroni,S., Ferretti,F., Burrini, L., Ademollo, N., Fattorini,N., 2022. Breeding Ecology of Adélie Penguins in Mid Victoria Land, Ross Sea Antarctica. Diversity, 14(6), 429; https://doi.org/10.3390/d14060429

Olmastroni S., Pompeo G., Jha A.J., Mori E., Vannuccini M.L., Niccolò Fattorini N., Ademollo N., Corsi I. 2019. Genome instability and immune status of Adélie penguin (Pygoscelis adeliae) breeding at Edmonson Point, Ross Sea, Antarctica. Polar Biology 42 (7), 1343-1352.

Simonetti S., Olmastroni S., Fattorini N., Corsi I. 2021. A stress ecology study for estabilishing a baseline data on health status of the Adélie penguin (Pygoscelis adeliae) population breeding in Mid Victoria Land Ross Sea Antarctica. In: Unravelling the Occurrence and Impact of Multiple Stressors of Natural and Antropogenic Origin Pollutants in Polar Regions. 31st SETAC Europe 2021 3-6 May Virtual.

Ropert-Coudert Yan, Anton P. Van de Putte, Ryan R. Reisinger, Horst Bornemann, Jean-Benoît Charrassin, Daniel P. Costa, Bruno Danis, Luis A. Hückstädt, Ian D. Jonsen, Mary-Anne Lea, David Thompson, Leigh G. Torres, Philip N. Trathan, Simon Wotherspoon, David G. Ainley, Rachael Alderman, Virginia Andrews-Goff, Ben Arthur, Grant Ballard, John Bengtson, Marthán N. Bester, Arnoldus Schytte Blix, Lars Boehme, Charles-André Bost, Peter Boveng, Jaimie Cleeland, Rochelle Constantine, Robert J. M. Crawford, Luciano Dalla Rosa, P. J. Nico de Bruyn, Karine Delord, Sébastien Descamps, Mike Double, Louise Emmerson, Mike Fedak, Ari Friedlaender, Nick Gales, Mike Goebel, Kimberly T. Goetz, Christophe Guinet, Simon D. Goldsworthy, Rob Harcourt, Jefferson S. Hinke, Kerstin Jerosch, Akiko Kato, Knowles R. Kerry, Roger Kirkwood, Gerald L. Kooyman, Kit M. Kovacs, Kieran Lawton, Andrew D. Lowther, Christian Lydersen, Phil O’B. Lyver, Azwianewi B. Makhado, Maria E. I. Márquez, Birgitte I. McDonald, Clive R. McMahon, Monica Muelbert, Dominik Nachtsheim, Keith W. Nicholls, Erling S. Nordøy, Silvia Olmastroni, Richard A. Phillips, Pierre Pistorius, Joachim Plötz, Klemens Pütz, Norman Ratcliffe, Peter G. Ryan, Mercedes Santos, Colin Southwell, Iain Staniland, Akinori Takahashi, Arnaud Tarroux, Wayne Trivelpiece, Ewan Wakefield, Henri Weimerskirch, Barbara Wienecke, José C. Xavier, Ben Raymond & Mark A. Hindell, 2020. The retrospective analysis of Antarctic tracking data project. Scientific Data 7, 94 (2020). https://doi.org/10.1038/s41597-020-0406-x

Southwell Colin, Andres Barbosa, Louise Emmerson, Tom Hart, Jefferson Hinke, Mariana Juáres, Malgorzata Korczak¬Abshire, Gennadi Milinevsky, Kym Newbery, Silvia Olmastroni, Norman Ratcliffe, Mercedes Santos, Philip Trathan, George Watters, 2018. Remotely operating camera network provides spatially extensive, long term observations of breeding Pygoscelis penguins around Antarctica.  MEASO 2018, MARINE ECOSYSTEM ASSESSMENT FOR THE SOUTHERN OCEAN. Assessing Status and Trends of Habitats, Key Species and Ecosystems in the Southern Ocean. International Conference April 9-13, Hobart, Australia.

Youngflesh C., Jenouvrier S., Li Y., Ji R., Ainley D.G., Ballard G., Barbraud, C., Delord, K., Dugger, K. M., Emmerson, L. M., Fraser, W. R., Hinke, J. T., Lyver, P.O’B., Olmastroni, S., Southwell, C. J., Trivelpiece, S. G., Trivelpiece, W. Z. and Lynch, H. J. 2017. Circumpolar analysis of the Adélie Penguin reveals the importance of environmental variability in phenological mismatch. Ecology, 98: 940–951. doi:10.1002/ecy.1749.D).