10 Minutės
Stiprūs nauji tyrimai rodo, kad jūrų šilumos bangos gali sutrikdyti vandenyno biologinį anglies siurblį — tai mechanizmas, pernešantis anglies daleles nuo paviršiaus į giliavandenę kertę ir taip mažinantis atmosferinį CO2. Interdisciplininė grupė, vadovaujama Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), sujungė autonominių plūdurų duomenis ir ilgalaikes laivų matavimų serijas Aliaskos įlankoje, kad ištirtų, kaip dvi didelės šilumos bangos pakeitė planktono bendruomenes ir pakeitė anglies dalelių likimą vandens stulpelyje.
Robotiški BGC-Argo plūdurai nuolat renka smulkias biologines ir chemines matavimo reikšmes. MBARI vadovaujamo Global Ocean Biogeochemistry Array projekto tyrėjai su kolegomis analizavo plūdurių Aliaskos įlankoje duomenis kartu su laivų planktono tyrimais ir atskleidė, kad jūrų šilumos bangos keičia maisto grandines bei sumažina vandenyno gebėjimą įsisavinti anglies dioksidą. Šio straipsnio tikslas — sintetizuoti tyrimo metodiką, pagrindines išvadas ir platesnes pasekmes klimato reguliavimui, jūrų ekosistemoms bei ateities stebėjimo strategijoms. Taip pat pabrėžiama, kodėl nuolatinis, koordinuotas stebėjimas tampa ypač svarbus klimato kaitai intensyvėjant.
Kas yra biologinis anglies siurblys ir kodėl tai svarbu?
Vandenynas yra vienas didžiausių pasaulinių anglies rezervuarų; maždaug ketvirtadalį žmogaus veiklos sukeliamų CO2 emisijų sugeria jūrinis vanduo. Ilgalaikei saugojimui itin svarbus biologinis anglies siurblys: mikroskopiniai fotosintezės organizmai — fitoplanktonas — paverčia CO2 į organinę medžiagą, kuri juda per maisto grandinę. Mažesnės ar didesnės šios medžiagos dalelės, fekalijos ir agregatai sės per mezopelagiją (200–1000 m) į giliausius vandenis, kur anglis gali likti saugota šimtmečius ar net tūkstantmečius.
Tačiau jūrų šilumos bangos — ilgiau trunkantys, netipiniai atšilimai — keičia planktono rūšinę sudėtį, medžiagų apykaitos greičius ir trofines sąveikas. Tokie pokyčiai gali sumažinti dalelių, kurios greitai grimzta, kiekį arba padidinti organinės medžiagos perdirbimą paviršiuje, dėl ko į gylį išsaugoma mažiau anglies. Tik nuoseklūs, aukštos raiškos biologiniai ir cheminiai matavimai nuo paviršiaus iki giliavandenės, atliekami prieš, per ir po šių bangų, leidžia suprasti procesus ir mechanizmus, kurie lemia anglies likimą.
Kaip buvo vykdomas tyrimas: metodai ir instrumentai
Tyrėjai integravo įvairius, tarpusavyje nepriklausomus duomenų rinkinius, apimančius daugiau nei dešimtmetį stebėjimų Aliaskos įlankoje — regione, kuriame įvyko dvi reikšmingos jūrų šilumos bangos: 2013–2015 m. žinomoje kaip „The Blob“ ir antroji stipri banga 2019–2020 m. Pagrindiniai stebėjimo elementai:
- GO-BGC BGC-Argo plūdurai: priklausantys Global Ocean Biogeochemistry (GO-BGC) tinklui, šie autonominiai plūdurai profilavo temperatūrą, druskingumą, deguonį, nitratą, chlorofilo fluorescenciją ir dalinę organinę anglių (POC) koncentraciją kas 5–10 dienų viršutinėje vandens kolonoje. Toks nuolatinis ėmimas suteikia aukšto dažnio laiko profilius biologinėms ir cheminėms sąlygoms, leidžiančius fiksuoti sezoninius svyravimus ir ekstremalias anomalijas.
- Laivo programos Line P: Fisheries and Oceans Canada ilgalaikė Line P programa pateikė sezoninius planktono bendruomenių sudėties duomenis, remiantis pigmentų chemija ir aplinkos DNR (eDNA) sekoskaita. Šios laivinės „nuotraukos“ suteikia taksonominį detalumą ir padeda patvirtinti plūdurų parodymus.
- Tarpdisciplininė analizė: komanda apėmė MBARI, University of Miami Rosenstiel School, Hakai Institute, Xiamen University, University of British Columbia, University of Southern Denmark ir Fisheries and Oceans Canada mokslininkus, sujungiančius okeanografiją, molekulinę biologiją, biogeochemiją ir ekosistemos mokslą.
Toks metodų mišinys leido ne tik matyti momentinius pokyčius, bet ir atsekti ilgalaikes tendencijas, užfiksuoti skirtumus tarp skirtingų šilumos bangų ir išsiaiškinti mechanistinius ryšius tarp planktono struktūros bei anglies eksporto.
Kas aptikta: kaip šilumos bangos „užstrigdė“ anglies juostą
Tyrimas pateikė nuoseklią įrodymų eilę, kad jūrų šilumos bangos pakeitė planktono bendruomenes ir sutrikdė anglies išvežimą į giliavandenę saugyklą. Svarbu pažymėti, kad abi bangos turėjo skirtingus mechanistinius padarinius:
- 2013–2015 m. („The Blob“): antraisiais metais fitoplanktono produktyvumas paviršiuje padidėjo, tačiau dalinė organinė anglis kaupėsi maždaug 200 m gylyje vietoj to, kad greitai nuslinktų į bedugnę. Tai rodo mezopelagijos „neperleidimo” efekto kliūtį — smulkesnės dalelės ir perdirbta anglis liko srities „tamsiojoje zonoje”, o ne pasiekė ilgalaikę saugyklą.
- 2019–2020 m.: pirmaisiais metais fiksuotas rekordinis paviršiaus dalelių kaupimasis, kurio nebuvo galima paaiškinti vien tik didesniu fitoplanktono augimu. Atrodė, kad šią bangą iš dalies užkirto intensyvus medžiagos perdirbimas maisto grandinėje ir detrito kaupimasis. Materija ėmė grimzti, bet sustojo 200–400 m intervale ir nepasiekė giliavandenės saugyklos taip efektyviai, kaip tai būtų buvę normaliomis sąlygomis.
Abiejų įvykių bendras modelis buvo padidintas organinės anglies sulaikymas ir perdirbimas paviršiuje bei mezopelagijoje, sukeliamas poslinkio link mažesnių fitoplanktono rūšių ir didesnio mažų grazintojų gausos. Mažesni grazintojai gamina lėtai grimztančias fekalines granules ir skatina mikrobiologinį skilimą, kuris palaiko anglies buvimą arti paviršiaus ir didina tikimybę, kad ji grįš į atmosferą.
MBARI vedanti autorė Mariana Bif, anksčiau dirbusi MBARI ir dabar dėstytoja University of Miami Rosenstiel School, paaiškino: «Mūsų tyrimas nustatė, kad šios dvi didelės jūrų šilumos bangos pakeitė planktono bendruomenes ir sutrikdė vandenyno biologinį anglies siurblį. Anglies juosta, pernešanti anglis iš paviršiaus į gelmes, užsikimšo». Tai reiškia didesnę riziką, kad anglis grįš į atmosferą vietoje to, kad būtų užrakinta giliai vandenyje.
Mechanizmai: kodėl planktonas ir dalelių dydis lemia anglies likimą
Biologiniai mechanizmai, sujungiantys šilumą su anglies sulaikymu, yra keli, tačiau tarpusavyje susieti:
- Rūšinis persiskirstymas: aukštesnė temperatūra palankesnė mažesnėms, šilumą mėgstančioms fitoplanktono linijoms, kurios gamina smulkias, lėtai grimztančias daleles vietoje stambių agregatų.
- Maisto grandinės pertvarkymas: augant mažų grazintojų gausai, organinė medžiaga daugiau perdirbama „viduje“ maisto grandinės, o mikroorganizmų kvėpavimas paverčia organinę anglis atgal į CO2 prieš jai pasiekiant didesnius gylio sluoksnius.
- Mezopelagijos apdorojimas: „tamsioji zona“ yra turtinga organizmų, kurie suvartoja grimztančias daleles; jei dalelės grimzta lėčiau, jos būna ilgiau veikiamos vartotojų ir mikroorganizmų, todėl didesnė dalis anglies remineralizuojama ir virsta ištirpusia neorganine forma.
Šių procesų sąveika sumažina tą paviršiuje sukurtos organinės anglies dalį, kuri pasiekia giliavandenę saugyklą, o tai silpnina vandenyno ilgalaikį anglies rezervuarą. Kitaip tariant, temperatūrinės anomalijos gali pakeisti ne tik kiekį, bet ir kelionės kokybę, kurią vykdo anglies dalelės nuo paviršiaus iki gelmių.
Kiek svarbus yra dalelių dydis?
Dalyčių dydis yra kritinis rodiklis: didesnės granulės ir agregatai grimzta greičiau ir turi didesnę tikimybę pasiekti giliavandenius, o smulkios dalelės lengviau paveikiamos mikrobiologinio sugedimo. Pavyzdžiui, kai šiurkštus klasteris susiformuoja iš suirusio fitoplanktono ir dumblų, jis tarsi „keltas“ nuneša anglies krovinį į gylį. Tačiau jei maisto grandinė „suskaido“ medžiagą į smulkesnius gabaliukus arba jei daugėja mažų graužikų, šis keltas niekada nesusiformuoja arba susidaro labai mažai.
Pasekmės klimato, ekosistemų ir žuvininkystės sektoriams
Jei jūrų šilumos bangos taps dažnesnės ir intensyvesnės — kaip rodo palydoviniai stebėjimai ir klimato modeliai — vandenyno gebėjimas veikti kaip efektyvus anglies siurblys gali susilpnėti. Mažiau efektyvus anglies sekvestravimas reiškia teigiamą grįžtamąjį ryšį klimato sistemoje: daugiau CO2 atmosferoje spartina šilimą, o tai didina riziką daugiau ekstremalių jūrinių atšilimų.
Ekologiniu požiūriu pokyčiai nuo planktono pagrindo gali plisti visoje maisto grandinėje — paveikti žuvų jauniklių išgyvenamumą, jūrų žinduolių maitinimosi galimybes ir žuvininkystės produktyvumą. Regionai ir bendruomenės, kurios priklauso nuo stabilios žuvų išteklių prieinamumo, gali susidurti su didesniu svyravimu ir ekonomine nežinomybe, ypač jei maitinimo ratas krypsta link mažesnių, mažiau maistingų grobuonių.
Be to, sumažėjusio anglies sekvestravimo poveikis per ilgą laiką gali pakeisti klimato politikos skaičiavimus — jei vandenynas sugeria mažiau antropogeninio CO2 nei manyta, pasiekti emisijų mažinimo tikslus taps sudėtingiau.
Technologijos, stebėjimas ir ateities gairės mokslui
Tyrimas iliustruoja, kodėl naudinga derinti autonominius BGC-Argo plūdurus su laivų biologiniais tyrimais ir molekuliniais įrankiais (eDNA, pigmentų chemija). Ateities prioritetai apima kelis svarbius aspektus:
- Plūdurų tinklo išplėtimas: didesnis BGC-Argo aprėpties geografinis ir sūkurinis spektras leistų užfiksuoti įvairias aplinkos sąlygas ir skirtingo tipo šilumos bangas.
- Integruoti stebėjimo tinklai: tarp-institucinės stebėjimų sistemos, suteikiančios „prieš-per-po“ bazes ekstremaliems įvykiams, padėtų aiškiau suprasti priežastis ir pasekmes.
- Modelių tobulinimas: būtina geriau įtraukti planktono bendruomenės poslinkius, dalelių formavimąsi ir mezopelagijos apdorojimą į biogeocheminius ir ekosistemos modelius, kad būtų galima tiksliau prognozuoti anglies eksporto pokyčius ateityje.
Kaip pažymėjo Ken Johnson, MBARI vyresnysis mokslininkas ir pagrindinis GO-BGC projekto vadovas: «Norint tikrai suprasti, kaip šilumos banga paveikia jūrų ekosistemas ir vandenyno procesus, mums reikia stebėjimų duomenų iš prieš, per ir po įvykio. Tai puikus pavyzdys, kaip tarptautinė bendradarbiavimo praktika leidžia atsakyti į esminius klausimus apie vandenyno sveikatą».
Ekspertų komentarai ir modeliuotojų užduotys
Dr. Lena Morita, okeanų biogeochemikė (fiktyvi), komentavo: «Šis tyrimas aiškiai parodo, kad biologiniai atsakai į atšilimą gali pakeisti anglies likimą dešimtmečių skalėje. Autonominiai plūdurai suteikia mums laiko raišką, reikalingą šiems procesams stebėti realiu laiku. Modeliuotojams būtina įtraukti kintamą dalelių dydžio dinamiką ir ganymo kelius, kad būtų sumažintas neapibrėžtumas klimato prognozėse».
Tai reiškia, kad meteorologai, okeanografai ir biogeochemikai turi glaudžiau derinti duomenis su modeliais: ne tik temperatūrą ir cirkuliaciją, bet ir biologinius parametrus — taksonominę sudėtį, fekalijų savybes, mikrobiologinę remineralizaciją — kad būtų prognozuojami anglies eksporto pokyčiai esant skirtingiems scenarijams.
Finansavimas, partnerystė ir tarptautinis kontekstas
Tyrimui daugiausia finansavimo suteikė JAV National Science Foundation per GO-BGC projektą (NSF Award 1946578 ir operacinis palaikymas iš NSF Award 2110258), papildomai prisidėjo David and Lucile Packard Foundation, China National Science Foundation (grant 42406099), Fundamental Research Funds for the Central Universities (grant 20720240105), Danish Center for Hadal Research (DNRF145) ir Fisheries and Oceans Canada Line P programa. Interdisciplininė autorių sudėtis pabrėžia, kaip koordinuotos tarptautinės investicijos ir ilgalaikiai stebėjimai suteikia didelės vertės mokslinius įžvalgas.
Tokios partnerystės yra gyvybiškai būtinos: jūrų stebėjimai — ypač tie, kurie skirti ekstremaliems įvykiams fiksuoti — reikalauja ilgalaikio finansavimo, laivų resursų, autonominių platformų ir duomenų sinergijos tarp institucijų bei šalių.
Galutinė žinia skamba aiškiai: jūrų šilumos bangos gali pertvarkyti planktoną ir sumažinti vandenyno biologinio anglies siurblio efektyvumą, skatinant organinės anglies sulaikymą ir perdirbimą paviršiuje bei mezopelagijoje. Tokie pokyčiai kelia grėsmę vandenyno gebėjimui veikti kaip ilgalaikė anglies saugykla ir turi plačias ekologines bei socioekonomines pasekmes. Dėl to būtina išplėsti nuolatinį, koordinuotą vandenyno stebėjimą — autonominius plūdurius, laivų tyrimus ir molekulinius įrankius — kad galėtume laiku aptikti, suprasti ir prognozuoti šilumos bangų keliamos grandininės reakcijas.
Šaltinis: sciencedaily
Palikite komentarą