Zmiany klimatyczne zagrażają podstawom obfitych sieci pokarmowych oceanów polarnych

Zimne oceany polarne tworzą jedne z największych sieci troficznych na Ziemi. A u ich podstawy znajdują się mikroskopijne, fotosyntetyczne glony. Jednak nowe badania sugerują, że zmiany klimatyczne wywołane przez człowieka zastępują te ważne, zimnowodne zbiorowiska glonów przystosowanymi do ciepła, co grozi destabilizacją delikatnej morskiej sieci pokarmowej i zmianą oceanów, jakie znamy.

U podstawy morskich sieci troficznych znajdują się mikroskopijne organizmy fotosyntetyzujące zwane fitoplanktonem. Ale różnią się one na całym globalnym oceanie. Zbiorowiska fitoplanktonu w cieplejszych wodach, w tym w tropikach, są zdominowane przez prokariota (mikroorganizmy bez określonego jądra).

Jednak zimniejsze wody bliżej biegunów sprzyjają eukariontom (mikroorganizmom z jądrem). Te fotosyntetyzujące eukarionty lub algi stanowią podstawę produktywnych sieci pokarmowych w zimnych, ale żyznych wodach polarnych.

„Wiele naszej żywności pochodzi z łowisk Północnego Atlantyku, Północnego Pacyfiku i Południowego Pacyfiku z powodu eukariotycznego fitoplanktonu, a nie prokariotów” – powiedział Thomas Mock, mikrobiolog morski z University of East Anglia (UEA, Wielka Brytania) i starszy autor badania. „Prokarionty nie są w stanie wyprodukować wszystkich soczystych białek i lipidów, którymi są eukariota”.

Jednak według nowego badania opublikowanego 16 września 2021 r. w Nature Communications cieplejsze wody i społeczności zdominowane przez prokarionty mogą znacznie łatwiej zastąpić eukarionty niż wcześniej przypuszczano.

„To spowodowałoby znaczące konsekwencje dla całej sieci pokarmowej, a tym samym dla usług ekosystemowych, od których wszyscy jesteśmy zależni” – powiedział Mock.

Mock i inni wiodący naukowcy rozpoczęli badania – współpraca ośmiu instytucji kierowanych przez UEA, w tym Joint Genome Institute (JGI) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), biuro DOE Office of Science User Facility zlokalizowane w Lawrence Berkeley National Laboratorium — z chęcią zrozumienia niuansów i stopniowania zmian eukariotycznych zbiorowisk fitoplanktonu wraz z szerokością geograficzną.

Niewidzialna granica

Zespół wyruszył na ekspedycję podobną do Lewisa i Clarka, aby zbadać, zebrać i skatalogować próbki oraz szukać wzorców w społecznościach alg, w tym mikrobiomów związanych z algami, które wpływają na różnorodność alg i ekspresję genów. Płynąc od bieguna do bieguna podczas czterech rejsów badawczych, zanurzyli swoje samozamykające się pojemniki w wodzie morskiej, aby pobrać próbki zbiorowisk alg wzdłuż transektów Oceanu Arktycznego, Północnego Atlantyku, Południowego i Południowego Oceanu Atlantyckiego.

Po wyizolowaniu społeczności glonów na filtrach, zsekwencjonowali sekwencje genów „markerowych” DNA, aby zidentyfikować drobnoustroje. Aby określić, jakie geny eksprymują glony, zespół zsekwencjonował ich transkrypty RNA. Całe sekwencjonowanie zostało wykonane w ramach programu JGI Community Science Program.

Korzystając z metryki ekologicznej zwanej różnorodnością beta, zespół zaobserwował, że społeczności alg nie zmieniają się stopniowo w globalnym oceanie. Zamiast tego wyraźnie podzielili się na dwie duże grupy geograficzne: te w chłodniejszych wodach polarnych i te w cieplejszych wodach niepolarnych.

Innymi słowy, niektórzy lubią gorąco; niektórzy nie.

„Możemy myśleć naiwnie o oceanie jako o pewnego rodzaju jednorodnym medium. W rzeczywistości tak nie jest – istnieją różnice w składnikach odżywczych, temperaturach i innych właściwościach fizykochemicznych” – powiedział współautor badania Igor Grigoriev, JGI Fungal & Algal. Kierownik Programu. „Ale nadal nie ma granic w oceanie. Jednak to, co tu odkryto, to niewidzialny podział społeczności glonów”.

Zespół odkrył, że granica lub „punkt przełomowy” bioróżnorodności między tymi społecznościami glonów występuje w umiarkowanych wodach, których średnia temperatura powierzchni wynosi około 58 stopni Fahrenheita – chłodny pośredni do ekstremalnych temperatur oceanu wynoszących około 28 i 97 stopni Fahrenheita.

„Autorzy badania wskazują na tę fundamentalną obserwację zimnych i ciepłych sieci drobnoustrojów oraz na to, jak wyraźna i wyraźna jest granica biogeograficzna między nimi. Dane są pod tym względem nieco piękne” – powiedział Andy Allen, oceanograf biologiczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego. , San Diego i Scripps Institution of Oceanography, który nie był powiązany z badaniem.

„Ale odkrycia sugerują również pewien poziom podatności, którego mogliśmy nie być świadomi” – dodał. „Jeśli system jest zaburzony, powrót do stanu wyjściowego może być bardzo trudny”.

W rzeczywistości zmiany klimatyczne poważnie wpływają na temperaturę lodu morskiego i wody w klimatach polarnych, narażając te społeczności polarne na niebezpieczeństwo.

„Wiemy tak mało o tych społecznościach alg; mogą one mieć korzystne odkrycia, takie jak antybiotyki, farmaceutyki i nowe enzymy, które działają w niskiej temperaturze”. powiedziała Katrin Schmidt, współautorka badania z Karą Martin. „Ale te ekosystemy dosłownie topnieją”.

Napędzany zmianami klimatycznymi

Zespół wykorzystał model z piątego raportu oceniającego Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC), aby przewidzieć, gdzie i jak szybko przesuwa się granica 14 stopni Celsjusza.

„Jest napędzany przez klimat: ciepła woda zastępuje społeczności zimnowodne. A to wszystko zmienia” – powiedział Mock.

Stały marsz cieplejszych wód w kierunku biegunów może mieć tragiczne konsekwencje dla organizmów morskich w tych sieciach pokarmowych, powiedział Schmidt. Kilka gatunków wielorybów, w tym szare wieloryby i humbaki, migruje, by żerować w regionach polarnych. I krewetki żywią się algami, które przywierają do spodu lodu morskiego.

Jednym z ważnych zjadaczy glonów, na który mogą wpływać ocieplające się wody i zmieniające się społeczności alg, jest kryl – organizm, który rozwija się na Oceanie Południowym, wygląda jak krewetki i jest pokarmem dla większych organizmów, takich jak wieloryby, pingwiny i foki. – Biomasa kryla jest co najmniej równa biomasie wszystkich ludzi na planecie – powiedział Mock. „To daje wyobrażenie o tym, jak ważne są te organizmy. A teraz wyobraź sobie, że podstawa ekosystemu zmienia się z zimnej wody, eukariotycznych społeczności fitoplanktonu w ciepłą wodę, prokariotycznych społeczności fitoplanktonu”.

Zmiana w bazie odbiłaby się echem w całej sieci pokarmowej, jak uderzenie młotem pneumatycznym w fundamenty katedry. Co więcej, ponieważ fitoplankton (łącznie eukariotyczny i prokariotyczny) odpowiada za około 50 procent światowego węgla związanego, zmiana równowagi społeczności eukariotycznych i prokariotycznych może zmienić globalny cykl węglowy, tempo, w jakim węgiel jest globalnie wiązany i metabolizowany.

Mało tego, zmiany te – spowodowane zmianami klimatycznymi – mogą zagrozić morskiemu przemysłowi spożywczemu i innym usługom ekosystemowym, takim jak turystyka i rekreacja, od których zależą narody przybrzeżne i wyspiarskie, takie jak Wielka Brytania, powiedział Mock.

„Myślę, że ten artykuł zostanie wykorzystany do doradzania decydentom, aby łagodzić skutki zmian klimatu dla ekosystemów, ponieważ mamy teraz nowy punkt widzenia na to, jak ocieplenie wpływa na te społeczności morskie” – powiedział Mock. Gaz cieplarniany, dwutlenek węgla (CO2), wytwarzany ze spalania paliw kopalnych, powoduje wzrost temperatury powierzchni oceanu. „To, co należy zrobić, to zmniejszenie produkcji CO2 – to pierwsza i najważniejsza rzecz, którą musimy zrobić”.

W badaniu uczestniczyli również naukowcy z następujących instytucji: Earlham Institute (Wielka Brytania), University of Exeter (Wielka Brytania), Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (Niemcy), University of Duisburg-Essen (Niemcy), Holandia Królewska Instytut Badań Morskich (Holandia), Uniwersytet w Groningen (Holandia).

Share