Zakwaszenie oceanów ma bardzo duży związek z wpływem na bioróżnorodność. Dwutlenek węgla, który w nadmiarze trafia do oceanów i mórz nie powoduje ich ogrzewania czy nawet odtleniania, ale jest częstą przyczyną ich zakwaszenia. Przede wszystkim mocno cierpi na tym fauna bezkręgowców morskich, które są zbudowane z wapiennych muszli i pancerzyków (np. małże i skorupiaki itp.).
Lydia Kapsenberg & Tyler Cyronak dokonali analizy przeglądowej tzw. refugiów zakwaszenia oceanów (OAR – Ocean Acidification Refugium), czyli obszarów morskich, w których gatunki ryb i bezkręgowców są w dużym stopniu narażone na wahania pH wód oceanicznych ze względu na zmienność w skali przestrzenno-czasowej strumienia dwutlenku węgla rozpuszczanego w nich 1.
Autorzy na wstępie pracy piszą:
Ostoje zmiany klimatu w lądowej biosferze to obszary, na których gatunki są chronione przed globalną zmianą środowiska i powstają w wyniku naturalnej różnorodności krajobrazów i klimatu. W obszarze morskim zakwaszenie oceanów lub globalny spadek pH wody morskiej pozostaje wszechobecnym zagrożeniem dla organizmów i ekosystemów. Naturalna zmienność chemii dwutlenku węgla (CO2) w wodzie morskiej stanowi jednak okazję do zidentyfikowania ostoi zakwaszenia oceanów (OAR) dla gatunków morskich.
Globalne pH powierzchni oceanów naturalnie waha się między pH 8,0 a 8,2 (Bates i inni, 2014) i przewiduje się, że spadnie o > 0,4 jednostki, jeśli emisje CO2 utrzymają się w obecnym tempie (Hans Otto Pörtner i inni, 2014).
Występuje wiele czynników biogeochemicznych i fizycznych, które mają dość potencjalnie duży wpływ na dynamikę lokalnego składu chemicznego dwutlenku węgla w wodzie morskiej i mogą one również podlegać takim samym dynamicznym zmianom parametrów fizycznych, jak np. temperatura, opady czy upwelling w systemie klimatycznym Ziemi.
—
Rys.1. Procesy modyfikujące ekspozycję na zakwaszenie oceanów w zakresie częstotliwości czasowych i skal przestrzennych (Lydia Kapsenberg & Tyler Cyronak, 2019).
—
Na panelu (a) ukazane są sezonowe reżimy pH napędzane przez ocieplenie w ekosystemie umiarkowanym i produkcję pierwotną w ekosystemie polarnym (Lydia Kapsenberg, Samir Alliouane i inni, 2017 ; Lydia Kapsenberg i inni, 2015). Na panelu (b) pokazana została zmienność pH w skali zdarzeń w okresie 5 tygodni. Produkcja pierwotna przez zakwit fitoplanktonu zwiększa pH, które zmniejsza się po zaprzestaniu zakwitu, podczas gdy okresowe zjawiska upwellingu powodują silne spadki pH (Lydia Kapsenberg, 2015 ; Lydia Kapsenberg & Gretchen E. Hofmann, 2016). Z kolei na panelu (c) przedstawione intensywne wahania pH w ekosystemie rafy koralowej są napędzane fotosyntezą bentosową i oddychaniem (Tyler Cyronak, Izaak C. Santos i inni, 2014).
Obszary refugiów zakwaszenia oceanu (OAR – Ocean Acidification Refugues), to przede wszystkim siedliska przybrzeżne jak namorzyny, trawy morskie, miejsca o wolnym przepływie wód, miejsca z daleka od upwellingu (wypływu wód bogatych w składniki pokarmowe dla zwierząt morskich), wzniesienia głębinowe itp.
—
W 2020 roku naukowcy z Uniwersytetu w Edynburgu we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Heriot-Watt i Narodowej Administracji Oceaniczno-Atmosferycznej (NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration), badając głębinowe rafy koralowe w Pacyfiku u wybrzeży południowej Kalifornii zaobserwowali najniższy poziom pH na strukturach raf koralowych w historii pomiarów. Badaniami tymi kierował Sebastian J. Hennige z Grupy Badawczej Zmiany Oceanów oraz ze Szkoły Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Edynburgu 2.
Zespół amerykańskich naukowców z NOAA podjął badania tamtejszego ekosystemu raf koralowych za pomocą pojazdów podwodnych i zaobserwował wśród osobników koralowców gatunku Lophelia pertusa porowatość ich struktur. Następnie pobrał próbki tych żywych zwierząt i przekazał je do laboratorium w Edynburgu dla brytyjskich specjalistów od inżynierii środowiska, którzy z kolei w swoich zademonstrowanych eksperymentach w ciągu jednego roku zauważyli szybkie osłabienie szkieletów i odkryli uderzające podobieństwo do osłabienia obserwowanego w ludzkich kościach w wyniku osteoporozy. Nową chorobę zidentyfikowaną u Lophelia pertusa nazwali koralporozą albo koralowicą.
Fot.1. Koralowiec Lophelia pertusa z chłodnych wód głębinowych w południowej części Zatoki Kalifornijskiej. Po lewej stronie kolonia składająca się ze zdrowych osobników (białe korony) i chorych osobników na koralporozę (brązowo-szare podwaliny). Po prawej stronie kolonia składająca się z samych zdrowych osobników, ale na odsłoniętej skale o niskiej złożoności siedlisk. Nad oboma zdjęciami jest ukazana podziałka stanu nasycenia aragonitem (Ω Arag ) wód morskich w Zatoce Kalifornijskiej w badanym regionie.
Kadr z obrazów w (a, b) został wykonany wraz z materiałem ROV przedstawiającym lokalizacje z dalszymi szczegółami lokalizacji.
(Sebastian J. Hennige i inni, 2020)
Oba zespoły naukowe zaobserwowały, że zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i w środowisku morskim, niski poziom pH powoduje pękanie i rozpad osobników koralowców laboratoryjnych Lophelia pertusa. Z kolei nurkując w pojazdach podwodnych w tamtym rejonie, zaobserwowali, że ekosystem koralowców tamtejszych oraz wielu innych gatunków zależnych od głębinowych raf koralowych już się kurczy, a w przyszłości przy dalszej nadmiernej absorpcji dwutlenku węgla przez oceany, ten proces jeszcze bardziej się nasili.
Główny autor pracy dr Sebastian Hennige ze Szkoły Geonauk (School of GeoSciences) na Uniwersytecie w Edynburgu w serwisie Science Daily napisał następująco 3:
Badanie to podkreśla, że głównym zagrożeniem dla tych wspaniałych ekosystemów głębinowych jest osłabienie strukturalne spowodowane zakwaszeniem oceanów, napędzanym przez rosnące ilości wytwarzanego przez nas dwutlenku węgla. Rafy głębinowe istnieją poza naszym zasięgiem wzroku, z pewnością o nich nie zapominamy, a nasza praca podkreśla, w jaki sposób naukowcy z różnych dyscyplin i krajów mogą połączyć siły, aby stawić czoła globalnym wyzwaniom.
Z kolei współautor badania, dr Peter Etnoyer z Narodowego Centrum Nauk Wybrzeży Oceanu (NCOS – National Centres for Coastal Ocean Science) w NOAA, stwierdził:
Koralowce głębinowe rosnące w południowej Kalifornii są oknem na przyszły ocean. Region jest naturalnym laboratorium do badania skutków zakwaszenia oceanów.
Natomiast dr Uwe Wolfram z Uniwersytetu Heriot-Watt w Edynburgu powiedział:
Dzięki możliwości dostosowania strategii do raf koralowych, które są rutynowo stosowane do monitorowania osteoporozy i oceny ryzyka złamań kości, możemy dysponować potężnymi nieinwazyjnymi narzędziami do monitorowania tych delikatnych ekosystemów.
—
Również w tym samym roku została przedstawiona ciekawa praca przez zespół naukowy Eugenio Rastelli’ego z Wydziału Nauk o Środowisku i Naukach Przyrodniczych, Politechniki Marche w Ankonie we Włoszech. Ukazała ona interesujące informacje naukowe, w których stabilne ekosystemy ze zróżnicowaną bioróżnorodnością morską są znacznie odporniejsze na zakwaszenie oceanów niż ich bardziej uproszczone odpowiedniki 4.
Przeanalizowano te badania na wybranych gatunkach koralowców, gąbek i makroglonów oraz innych organizmów morskich, w których stwierdzono też mniejszy wpływ oportunistycznych wirusów bentosowych na twardym dnie gdzie się kształtują zdrowe ekosystemy raf koralowych.
Rys.2. Wpływ zakwaszenia na taksony dominujące. Odnotowano zmiany tempa wzrostu różnych taksonów koralowych (czerwonych koralowców, kalcyfikujących glonów, niekalcyfikujących glonów, epilitycznych gąbek, endolitycznych gąbek, kalcyfikujących gąbek) spowodowane zakwaszeniem. Tempo wzrostu wyraża się jako zmiany masy w przypadku koralowca czerwonego lub w pokryciu powierzchni w przypadku makroglonów i gąbek. Podawane są wartości średnie i odchylenie standardowe (SD – Standard Deviation). Gwiazdki wskazują na istotne różnice (p < 0,01) w zabiegu zakwaszonym w porównaniu z odpowiednią kontrolą (Eugenio Rastelli i inni, 2020).
—
Na wstępie niniejszej pracy Rastelli zauważył zaskakujący wynik pracy przeprowadzony eksperymentalnie w Morzu Śródziemnym, a ściślej w Morzu Liguryjskim. Mianowicie, jego zdaniem utrata różnorodności biologicznej pod wpływem zmian klimatu zagraża jednocześnie ekosystemom morskim. Stwierdził, że hipoteza, pod względem współzależności między różnorodnością biologiczną, stanowiącą naturalne zespoły wielogatunkowe, a funkcjonowaniem ekosystemów morskich, w związku z zakwaszeniem oceanu nie jest jeszcze dokładnie przetestowana.
Rastelli w swojej pracy napisał:
Tutaj, w warunkach kontrolowanych eksperymentalnie, zbadaliśmy wpływ zakwaszenia na kluczowe organizmy tworzące siedliska (w tym koralowce, gąbki i makroglony) oraz powiązane mikroby w zbiorowiskach o twardym dnie, charakteryzujących się różnymi poziomami bioróżnorodności.
Nasze wyniki wskazują, że przy wyższej bioróżnorodności wpływ zakwaszenia na kluczowe organizmy, w inny sposób bardzo wrażliwe, można zmniejszyć o 50 do > 90%, w zależności od gatunku. Tutaj pokazujemy, że taki pozytywny wpływ większej bioróżnorodności może być związany z wyższą dostępnością zasobów żywności i zdrowym związkiem mikroorganizm-gospodarz, ogólnym zwiększeniem odporności gospodarza na zakwaszenie, przy jednoczesnym przeciwstawieniu się szkodliwym oddziaływaniom mikroorganizmów oportunistycznych.
Biorąc pod uwagę scenariusze zmian klimatu przewidywane na przyszłość, dochodzimy do wniosku, że ochrona różnorodności biologicznej ekosystemów o twardym dnie ma fundamentalne znaczenie również dla łagodzenia skutków zakwaszenia oceanów.
Warto też dodać, że wody morskie, gdzie w mezokosmach, przeprowadzano badania eksperymentalne są dość mocno wysycone wapieniami: aragonitem i kalcytem. A większe zróżnicowanie gatunkowe wskazuje na wspomnianą większą odporność badanych ekosystemów, zarówno pod względem wpływu zakwaszenia oceanu, jak i oddziaływania wirusów bentosowych na faunę bentosową.
W badanym regionie, najliczniejsza jest rodzina Corallidae z najliczniejszym gatunkiem, koralowcem czerwonym Corallium rubrum, w którym coraz rzadziej występują zróżnicowane biocenotycznie ekosystemy, w których występują najliczniejsze rodziny gąbek z rodzin: Hymedesmiidae , Ancorinidae , Clathrinidae , Leucosoleniidae i Sycettidae , mszywiołów: Celleporidae , Smittinidae , Beanidae , Crisiidae i Schizoporellidae , makroglonów: Hildenbrandiaceae i Hapalidiaceae, parzydełkowców: Dendrophylliidae i Epizoanthidae oraz wieloszczetów: Serpuloidae.
Podsumowując wyniki tej pracy, można stwierdzić, że ekosystemy raf koralowych z dominującym koralowcem czerwonym Corallium rubrum, ale silnie zubożone w gatunki z wyżej wymienionych zwierząt są najbardziej narażone na zakwaszenie oceanu.
—-
Naukowy zespół Katharina E. Fabricius z Australijskiego Instytutu Morskich Nauk (Australian Institute of Marine Science) w Townsville, w 2020 roku przebadał stan raf koralowych w pobliżu dwóch oceanograficznych stacji pomiarowych w obrębie Wielkiej Rafy Koralowej. Stacji GBRWIS na Heron Island i stacji NRSYON na Yongala, na których mierzy się źródła zmienności składu chemicznego węgla w długofalowym trendzie czasowym 5.
Badacze w swojej pracy naukowej piszą, że dane z subtropikalnego środkowego szelfu GBRWIS obejmowały 3-godzinne zapisy z instrumentów, a dane z tropikalnego wybrzeża NRSYON były miesięcznymi próbkami wody morskiej.
Dokładna analiza badań w dekadzie 2009-2019 mówi bardzo wyraźnie, że Wielka Rafa Koralowa już jest w dłuższej perspektywie czasu nie do uratowania.
Na obu stacjach zaobserwowano duże wahania lotności dwutlenku węgla (f CO2) w wodzie morskiej, na które nałożyły się wahania sezonowych i dziennych fluktuacji temperatury i zasolenia.
Rys.3. Mapa Wielkiej Rafy Koralowej (linie pomarańczowe: rafy koralowe) i stacji referencyjnej gazów atmosferycznych Cape Ferguson ( a ) oraz stacji oceanograficznych GBRWIS ( b ) i NRSYON ( c ). Niebieskie cieniowanie wskazuje na batymetrię, a gruba czarna linia przedstawia 100-metrową linię batymetrii. Liczby zostały wygenerowane przy użyciu danych batymetrycznych z 30-metrowego modelu głębokości dla Wielkiej Rafy Koralowej – RJ Beaman. Źródło: Pobrano zdjęcia z Geonauk Australii (Geoscience Australia) https://ecat.ga.gov.au/geonetwork/srv/eng/catalog.search#/metadata/115066 oraz wykreślono za pomocą oprogramowania Matlab w wersji R2020a z pakietem mapującym M_Map (wersja 1.4 m, autorstwa R. Pawlowicza, https://www.eoas.ubc.ca/~rich/map.html).
—
W ciągu zbadanych 10 lat, lotność dwutlenku węgla (fCO2) na obu stacjach wzrosła o > 2,0 ± 0,3 µatm w ciągu roku. Również w tym samym czasie zaobserwowano wzrost temperatury i zasolenia wody morskiej, a także jej pH. Ponadto, stan nasycenia aragonitem spadł bardzo wyraźnie. I na to wygląda, że wszystkie te wymienione parametry będą dalej spadać, jeśli będziemy dalej w takiej ilości jak obecnie emitować dwutlenek węgla do atmosfery i do oceanów.
Autorzy tejże pracy piszą:
Dekadowy trend wzrostowy lotności (f) CO2 pozostał istotny w danych znormalizowanych dla temperatury i zasolenia. Rzeczywiście, roczne minima f CO2 są obecnie wyższe niż szacowane maksymalne wartości f CO2 na początku lat sześćdziesiątych XX wieku, czyli średnio, lotność CO2 teraz wynosi o 28% więcej niż 60 lat temu. Nasze dane wskazują, że rozpuszczanie węglanów z dna morskiego sprawia, że nie jesteśmy obecnie w stanie ochronić Wielkiej Rafy Koralowej przed zakwaszeniem oceanów. Ma to ogromnie niepokojące znaczenie dla tysięcy raf koralowych i innych różnorodnych ekosystemów morskich znajdujących się w tym rozległym systemie szelfu kontynentalnego.
—-
Z kolei Catriona Hurd w swojej pracy zespołowej, na jej wstępie napisała 6:
Zakwaszenie oceanów jest zjawiskiem globalnym, ale nakłada się na nie wyraźna zmienność regionalna modulowana przez lokalną fizykę, chemię i biologię. Uznanie jego wielopłaszczyznowego charakteru i współdziałania zakwaszenia z innymi czynnikami wpływającymi na ocean doprowadziło do międzynarodowych i regionalnych inicjatyw mających na celu ustanowienie sieci obserwacyjnych i opracowanie ujednolicających zasad reakcji biologicznych. Rośnie świadomość zagrożenia, jakie stanowi zakwaszenie oceanów dla usług ekosystemowych, a konsekwencje społeczno-gospodarcze stają się coraz bardziej widoczne i wymierne. W świecie o wyższym poziomie emisji CO2 przyszłe wyzwania obejmują lepsze projektowanie i rygorystyczne testy opcji adaptacyjnych, łagodzących i interwencyjnych, aby zrównoważyć skutki zakwaszenia oceanów w skali od lokalnej do regionalnej.