Badanie: Zakwaszone oceany zagrażają produkcji blisko 60% ziemskiego tlenu

Autorzy: Martha Baskin, Mary Bruno (wersja oryginalna)

16 czerwca 2014

Zakwaszenie oceanów sprawia, że fitoplankton staje się toksyczny. To zła wiadomość dla wielu gatunków – z naszym włącznie – ponieważ jest on głównym źródłem ich pożywienia i tlenu.

Co się dzieje, kiedy fitoplankton, organizm (najczęściej) jednokomórkowy będący fundamentem morskiego łańcucha pokarmowego, staje się toksyczny?

Toksyny często koncentrują się w skorupiakach i wielu innych gatunkach morskich (od zooplanktonu po fiszbinowce) żywiących się fitoplanktonem. Najnowsze, pionierskie badanie zespołu naukowców na pokładzie RV Melville pokazuje, że zakwaszenie oceanów [spadek pH] niebezpiecznie zmieni te mikroskopijne rośliny, które karmią całą menażerię morskich stworzeń i produkują blisko 60% planetarnego tlenu.

Badacze pracowali w nasyconych węglem wodach Zachodniego Wybrzeża [Stanów Zjednoczonych] – było to żywe laboratorium analizujące konsekwencje zmian chemicznych oceanu wywołanych zwiększonymi koncentracjami atmosferycznego dwutlenku węgla. Naukowcy z Centrum Nauki o Rybołówstwie Narodowej Służby Oceanicznej i Atmosferycznej [NOAA] i Laboratorium Środowiska Morskiego Pacyfiku, wraz z zespołami uniwersyteckimi ze stanu Maine, Hawajów i Kanady, skupili się na wyjątkowych strefach podniesionych wód Kalifornii, Oregonu i Waszyngtonu. Tamtejsze silne wiatry sprzyjają mieszaniu, które wydobywa głęboki, wielowiekowy CO2 na powierzchnię oceanu. Odkrycia ujawniają przyszłość oceanów. Obraz nie jest różowy.

Naukowcy już wiedzą, że zakwaszenie oceanów, termin używany do opisania morskiej toni nasyconej wysokim stężeniem dwutlenku węgla, stwarza problemy organizmom, które budują muszle. „Brakuje nam szczegółowej wiedzy o dokładnych skutkach, jakie zakwaszenie oceanów przyniesie dla morskich społeczności fitoplanktonu,” mówi dr Bill Cochlan, oceanograf biologiczny z Uniwersytetu Stanowego San Francisco, który kieruje projektem. „Nasza hipoteza jest taka, że zjawisko to wpłynie na ilość i jakość niektórych metabolitów w fitoplanktonie, zwłaszcza lipidów i kwasów tłuszczowych.”

Zakwaszone wody zdają się utrudnić fitoplanktonowi wchłanianie substancji odżywczych. Bez nich nie obronią się przed chorobami i toksynami. Wówczas dojdzie do akumulacji toksyn w zooplanktonie, skorupiakach i innych gatunkach żywiących się fitoplanktonem.

Przyjrzyjmy się niebezpiecznemu okrzemkowi o nazwie Pseudo-nitzschia. Kiedy połkną go ludzie, toksyny z zakwitów tego jednokomórkowego glonu mogą spowodować stałą utratę pamięci krótkotrwałej i w niektórych przypadkach śmierć, ustaliła dr Vera Trainer, oceanograf Programu Biotoksyn Łowisk Morskich NOAA. Badania laboratoryjne wykazują, że kiedy kwasowość (lub pH) komórek Pseudo-nitzschii jest obniżona, produkują one więcej toksyn. Gdy badacze RV Melville natknęli się na duży rozkwit Pseudo-nitzschii u wybrzeży Point Sur w Kalifornii, gdzie poziom pH już jest niski, otrzymali rzadką okazję, aby sprawdzić, czy ich teoria „sprawdza się w naturze” – wyjaśnia Trainer.

Wiele populacji fitoplanktonu stało się przedmiotem pokładowych eksperymentów podczas 26-dniowego rejsu RV Melville’a, który rozpoczął się w połowie maja, a zakończył w ubiegłym tygodniu.

Inną niepokojącą substancją jest kwas domoikowy – neurotoksyna produkowana przez gatunki fitoplanktonu. Waszyngton ma długą historię epidemii kwasu domoikowego. Toksyna ta gromadzi się w małżach i może skończyć w układzie pokarmowym ludzi. „Zmiany oceaniczne mogą stymulować w przyszłości wzrost poziomu kwasu domoikowego w naturalnej populacji,” mówi profesor Charles Trick, biolog z Uniwersytetu Zachodniego w Ontario i jeden z badaczy RV Melville’a. Oznacza to, że zakwaszone oceany mogą wywołać większe i bardziej intensywne ogniska zabójczego fitoplanktonu, które byłyby wyrokiem śmierci dla wielu gatunków morskich.

Wycinek hipotezy stwierdza, że stężenie kluczowych kwasów tłuszczowych jest niższe przy niskim poziomie pH. Badacze muszą ustalić, co dokładnie oznacza w tym przypadku określenie „niższe”, ale najistotniejszym wnioskiem jest to, że redukcja krytycznych kwasów tłuszczowych jest równoznaczna z mniej odżywczą dietą ryb i innych organizmów.

Jeśli zrozumienie interakcji między CO2, zakwaszeniem oceanów i zapewnieniem składników odżywczych fitoplanktonowi i innym stworzeniom oceanicznym sprawia Ci trudność, pomyśl o tym: Co drugi oddech zawdzięczasz fitoplanktonowi. Te pojedyncze komórki generują lwią część światowego tlenu. „Jeżeli utraciły stan równowagi,” mówi Trainer, „utraci go reszta ziemskiego życia.”

Strach budzi fakt – zauważa Trainer – iż naukowcy tacy jak ona, szczegółowo dokumentujący stan populacji światowego fitoplanktonu, „w pewnym sensie dokumentują zagładę naszego gatunku. Mam nadzieję, że nasz przekaz jest dostatecznie czytelny i społeczeństwo zda sobie sprawę, że zagrożenie jest prawdziwe.”

Według pracy naukowców z RV Melville’a następstwa już trwają.

„Nie chodzi o zdarzenie z odległej przyszłości,” mówi Trainer. „To dzieje się teraz.”

Populacja fitoplanktonu spada o 40% od 1950 roku [Scientific American, 29 lipca 2012]

Mikroskopijne rośliny, które stanowią podstawę oceanicznego łańcucha pokarmowego, wymierają, informuje badanie opublikowane 29 lipca w Nature. Te drobne organizmy zwane fitoplanktonem pochłaniają również dwutlenek węgla, aby produkować ponad połowę światowego tlenu. Ich liczba zmalała od połowy XX wieku, co przyniesie nieznane konsekwencje dla ekosystemów morskich i planetarnego cyklu węglowego.

Naukowcy z kanadyjskiego Uniwersytetu Dalhousie stwierdzili, że globalna populacja fitoplanktonu spadła o 40% od 1950 roku. Oznacza to roczny spadek o blisko 1%. Badacze uważają, że przyczyną jest wzrost temperatury powierzchni morza. „To bardzo niepokojące, kiedy pomyślimy o potencjalnych skutkach stuletniej redukcji podstawy łańcucha pokarmowego,” powiedział ekolog morski Daniel Boyce, główny autor badania.

Poza konsumpcją CO2 fitoplankton może wpływać na ilość ciepła pochłanianego przez oceany świata, a niektóre jego gatunki emitują cząsteczki siarczanu, które uczestniczą w tworzeniu chmur. […]

‚Kosmiczny laser’ NASA wykrył oceaniczną eko-katastrofę [RT, 21.12.2016]

Fitoplankton, organizm roślinny żyjący w pobliżu biegunów Ziemi, jest podstawowym źródłem pożywienia mieszkańców oceanu. Jako uczestnik obiegu węgla wchłania również CO2 i produkuje od 50 do 85% planetarnego tlenu. Nowe, niepokojące odkrycie NASA wskazuje, że populacja tego gatunku jest poważnie zagrożona z powodu topnienia czap lodowych, za które odpowiada antropogeniczne ocieplenie klimatu. Badanie fitoplanktonu było dotychczas problematyczne, ponieważ „ograniczona dostępność słonecznego światła i utrzymujące się chmury” nad regionami polarnymi utrudniały czujnikom satelitarnym rejestrację odczytów. Sytuacja zmieniła się w 2006 roku, kiedy uruchomiono laser bazujący na technologii LIDAR z polaryzacją ortogonalną (CALIOP). Wyniki dziesięcioletnich, szczegółowych obserwacji opublikowano 19 grudnia 2016 w Nature Geoscience. Okazało się, że liczebność mikroskopijnych organizmów występujących wokół Antarktydy jest ściśle związana z pokrywą lodową, a nie jak sądzono wcześniej z rocznym wskaźnikiem wzrostu. Ocieplenie topi lód, podnosi temperaturę oceanu i tym samym zmniejsza ilość fitoplanktonu.

Zmiana klimatu zwiększy koncentracje toksycznej rtęci w ekosystemach morskich [Science Daily, 27.01.2017]

Koncentracje wysoce toksycznej postaci rtęci mogą podskoczyć o 300–600 procent w zooplanktonie – małych zwierzętach będących podstawą morskiego łańcucha pokarmowego – jeśli spływy lądowe zwiększą się o 15–30 procent. Pionierskie badanie przeprowadzone m.in. przez uczonych z Uniwersytetu Rutgersa, opublikowane 27 stycznia 2017 w Science Advances, ustaliło, iż taki wzrost jest możliwy ze względu na zmianę klimatu.

„W związku ze zmianą klimatu spodziewamy się intensyfikacji opadów w wielu rejonach półkuli północnej, co doprowadzi do zwiększenia spływów,” powiedziała Jeffra K. Schaefer, współautorka badania i adiunkt w Zakładzie Nauk Środowiskowych Uniwersytetu Rutgersa. „Oznacza to wprowadzenie większej ilości rtęci i organicznego węgla do ekosystemów przybrzeżnych, co podwyższa poziomy stężenia tego metalu w występujących tam małych zwierzętach. Regiony przybrzeżne są głównymi żerowiskami, a więc organizmy żywe stanowią ważne źródło rtęci, która akumuluje się w spożywanych przez ludzi rybach.” Od początku epoki przemysłowej szacowana ilość rtęci trafiającej do ekosystemów zwiększyła się od 200 do 500 procent. Gromadzi się ona w rybach i skorupiakach jako metylortęć, która oddziałuje na układ nerwowy, pokarmowy i odpornościowy, a także płuca, nerki, skórę i oczy.

„Odkryliśmy, że wzrost materii organicznej zmienił strukturę sieci pokarmowej w symulowanym ujściu rzeki, a to wywarło wpływ na akumulację rtęci w zooplanktonie,” wyjaśniła Schaefer. „Był to najbardziej dramatyczny rezultat. Badacze nie brali wcześniej pod uwagę przeobrażeń w strukturze sieci troficznej na dole łańcucha pokarmowego oraz związku z akumulacją rtęci.”

Wysiłki zmierzające do ograniczenia emisji rtęci mogą zostać zniweczone przez skutki zmiany klimatu.

Globalne ocieplenie może udusić ziemskie życie [Thinkpol, 1.12.2015]

Według analizy badaczy Uniwersytetu Leicester, zamieszczonej 25 listopada 2015 w piśmie Bulletin of Mathematical Biology, spadek poziomu tlenu spowodowany przez globalne ocieplenie może być większym zagrożeniem dla życia na Ziemi niż wzrost poziomu morza.

Podczas gdy główny nurt badawczy skupia się przede wszystkim na cyklu CO2 – ponieważ to dwutlenek węgla jest głównym czynnikiem odpowiedzialnym za globalne ocieplenie – nieliczni naukowcy studiują wpływ ocieplenia na produkcję tlenu.

Badanie nadzorowane przez Siergieja Pietrowskiego, profesora matematyki stosowanej na Wydziale Matematyki Uniwersytetu Leicester, wykazało, iż wzrost temperatury wody w światowych oceanach o sześć stopni Celsjusza (1) – który zdaniem części uczonych nastąpi jeszcze w tym stuleciu – może przerwać produkcję tlenu przez fitoplankton w skutek zaburzenia procesu fotosyntezy.

Zespół opracował nowy model produkcji tlenu w oceanie uwzględniający podstawowe interakcje w społeczności planktonu, takie jak produkcja tlenu w procesie fotosyntezy, zużycie tlenu w wyniku oddychania planktonu i żerowania zooplanktonu na fitoplanktonie.

„Około dwie trzecie całkowitej ilości atmosferycznego tlenu planety wytwarzane są przez oceaniczny fitoplankton – dlatego ustanie produkcji spowodowałoby spadek koncentracji w skali globalnej,” dodał. „Doprowadziłoby to do masowego wymierania zwierząt i ludzi.”

(1) W dniu 24 listopada 2015 wody równikowe [110-135°W] na głębokości około 100 metrów, były ponad 6°C cieplejsze niż średnia z lat 1981-2000. W drugiej połowie 2015 w oceanie równikowym odnotowano anomalie temperatury wyższe niż 6°C na głębokościach przekraczających 100 metrów.

 Cieplejszy Ocean Indyjski może stać się „ekologiczną pustynią”, ostrzegają naukowcy [Reuters, 19.01.2016]

Badanie opublikowane w grudniu 2015 przez uczonych z Indii, USA, RPA i Francji ustaliło, że w ciągu sześciu dekad szybki wzrost temperatury Oceanu Indyjskiego najwyraźniej zredukował liczebność fitoplanktonu – mikroskopijnych roślin stanowiących podstawę morskiego łańcucha pokarmowego – którym żywią się ryby.

Zjawisko to „może kaskadowo przetoczyć się przez łańcuch pokarmowy i zamienić ten biologicznie bujny akwen w ekologiczną pustynię,” ostrzegł Roxy Mathew Koll, naukowiec z Centrum Badań nad Zmianą Klimatu Indyjskiego Instytutu Meteorologii Tropikalnej w PuneKoll.

Ponieważ obszary Oceanu Indyjskiego ociepliły się w ostatnim stuleciu o 1.2 stopnia Celsjusza, spowolnieniu uległo mieszanie się wód powierzchniowych z bogatymi w składniki odżywcze wodami głębszymi. W ten sposób pożywienie nie dociera do planktonu, który przebywa głównie w wodach powierzchniowych.

„Pionowe mieszanie (wody) jest procesem kluczowym dla wprowadzania substancji odżywczych w strefy górne, gdzie znajduje się odpowiednia dla fotosyntezy ilość światła,” wyjaśnił Raghu Murtugudde, naukowiec z Uniwersytetu Maryland.

Badacz dodał, że ostatnie dane pokazują dramatyczne obniżenie poziomu fitoplanktonu na obszarach w pobliżu Kenii i Somalii, które od zawsze były domem ogromnych ławic ryb.
„Zapisy satelitarne zarejestrowały w ciągu minionych 16 lat 30-procentową redukcję w zachodniej części Oceanu Indyjskiego, który jest jednym z najbardziej produktywnych pod względem biologicznym regionów tropikalnych,” powiedział Marcello Vichi, współautor badania z Uniwersytetu w Cape Town.

Uczeni przewidują, że fitoplankton i zasoby rybne doświadczą dalszego spadku wskutek nadmiernych połowów i ocieplenia oceanu.

Fitoplankton odgrywa kluczowa rolę w długoterminowym usuwaniu dwutlenku węgla z atmosfery. Badanie zamieszczone 14 marca 2018 w Nature pokazało, że powszechnie stosowany przez fitoplankton mechanizm pozyskiwania żelaza wymaga udziału jonów węglanowych. Rosnące stężenia atmosferycznego CO2 powodują zakwaszenie oceanu i redukcję węglanu. Ta utrata upośledza zdolność fitoplanktonu do zdobywania wystarczającej ilości odżywczego żelaza, warunkujacej wzrost roślin. Zakwaszenie oceanu będzie przybierać na sile i zmniejszać koncentracje jonów węglanowych na powierzchni morza. „Nasza analiza ujawnia ‚mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego’ aktywnego w tych częściach oceanu, w których żelazo już teraz hamuje rozwój fitoplanktonu”, powiedział główny autor pracy badawczej Jeff McQuaid z Instytutu Oceanografii Scrippsa. „W tych regionach wysokie koncentracje atmosferycznego dwutlenku węgla mogą powstrzymywać wzrost fitoplanktonu, co ogranicza zdolność oceanu do absorpcji CO2, a tym samym potęguje jego akumulację w atmosferze”.

Tłumaczenie: exignorant