Wpływ zmian klimatu na różnorodność biologiczną
Tak jak na wyższych szerokościach geograficznych, wokółpolarnych i polarnych , na obu półkulach Ziemi, a północnej i południowej (jeszcze dekadę temu tylko na północnej) zmiany klimatu zachodzą najszybciej, tak na niższych szerokościach geograficznych, w tropikach obu półkul najbardziej zagrożona jest różnorodność biologiczna z powodu wzrostu temperatury globalnej.
Klimat ociepla się najwolniej w tropikach za Ziemi, zarówno wzdłuż strefy okołorównikowej, jak i w strefach okołozwrotnikowych na obu półkulach. Nawet wolniej niż na średnich szerokościach geograficznych. Ale różnorodność biologiczna najmniej ucierpi na średnich szerokościach geograficznych, gdzie są najczęstsze zmienne warunki pogodowe, zarówno pod względem opadów, jak i temperatury.
W Arktyce różnorodność biologiczna jest przede wszystkim zagrożona tym, że zanika pokrywa lodowa, która topiąc się najsilniej ma wpływ na szybki wzrost temperatury w całym regionie. Z kolei tropikalna różnorodność biologiczna zaadaptowała się, od końca epoki glacjalnej przez cały względnie stabilny holocen do początków rewolucji przemysłowej, do warunków takich, że występowały zmienne warunki pod względem opadów, ale była względnie ustabilizowana temperatura w regionach okołorównikowych. Jednak to się wszystko drastycznie zmienia. Na zmiany klimatu zachodzące od co najmniej 170 lat nakłada się też coraz intensywniejsza eksploatacja ekosystemów ziemskich, co zaburza coraz poważniej względną równowagę ekologiczną. Natomiast subtropikalna różnorodność biologiczna jest z reguły przystosowana do zmiennych warunków temperaturowych, a w mniejszym stopniu do opadowych. Od bioróżnorodności na średnich szerokościach różni się tym, że funkcjonuje w strefie klimatycznej z dwoma porami roku, a nie z czterema. Bioróżnorodność okołorównikowa z kolei egzystuje cały czas w ciepłej jednej porze. A w Arktyce i w Antarktyce mamy do czynienia w pewnym sensie z dniem polarnym, podczas wiosny i lata oraz z nocą polarną, podczas jesieni i zimy.
Hotspoty na Ziemi
Pod względem klimatycznym wiele gatunków przystosowało się do poszczególnych stref klimatycznych. Nawet jeszcze teraz duża część z nich, choć już nie wszystkie, względnie stabilnie funkcjonuje w ekosystemach niezaburzonych przez ludzi. To wszystko jednak może się szybko zmienić. Najbardziej zagrożone są hotspoty – ekologicznie czułe obszary, które według prognoz zostaną poddane największej rotacji gatunków.
Już w 2011 roku w pracy “Ecological sensitivity: a biospheric view of climate change” [“Ekologiczna czułość a biosferyczny widok zmiany klimatu”] w zakresie badań naukowych Jon Bergengren, naukowiec, który kierował badaniami hotspotów w ramach stażu podoktorskiego w Caltech wziął pod uwagę takie regiony jak: w Himalajach i na Płaskowyżu Tybetańskim, we wschodniej Afryce Równikowej, na Madagaskarze, w regionie Morza Śródziemnego, w południowej części Ameryki Południowej i w Ameryce Północnej – obszary Wielkich Jezior i Wielkich Równin.
Rys.1. Przewidywany odsetek krajobrazu ekologicznego napędzany zmianami gatunków roślin w wyniku prognozowanych zmian klimatu wywołanych przez człowieka do 2100 r. Źródło: NASA / JPL-Caltech.
Największe obszary wrażliwości ekologicznej i zmiany biomów przewidywane na ten wiek znajdują się, co nie dziwi, w obszarach o najbardziej dramatycznych zmianach klimatu: na wysokich szerokościach półkuli północnej, szczególnie wzdłuż północnej i południowej granicy lasów borealnych.
Klimat cały czas się ociepla. I z każdym wzrostem ułamka stopnia Celsjusza w skali globalnej, może nastąpić coraz większe ujemne oddziaływanie na poszczególne gatunki, zwłaszcza takie, które mają bardzo zawężoną tolerancję termiczną. To już się dzieje niestety.
„Od ponad 25 lat naukowcy ostrzegają przed niebezpieczeństwami wywołanymi przez człowieka zmianami klimatu” – powiedział Jon Bergengren, który stwierdza taki fakt:
„Nasze badanie wprowadza nowe spojrzenie na zmiany klimatu, badając implikacje ekologiczne kilku stopni globalnego ocieplenia. Podczas gdy ostrzeżenia o topnieniu lodowców, podnoszącym się poziomie morza i innych zmianach środowiska są ilustracyjne i ważne, ostatecznie to najważniejsze są konsekwencje ekologiczne . ”
Współautor badania Duane Waliser dodaje:
„W naszym badaniu opracowano prosty, spójny i ilościowy sposób scharakteryzowania wpływu zmian klimatu na ekosystemy w hotspotach, przy jednoczesnej ocenie i porównywaniu skutków prognoz modelu klimatycznego. To nowe narzędzie pozwala naukowcom badać i rozumieć wzajemne relacje między ekosystemami Ziemi a klimatem oraz identyfikować regiony o największym stopniu wrażliwości ekologicznej”.
„W tym badaniu też opracowaliśmy i zastosowaliśmy dwa nowe wskaźniki wrażliwości ekologicznej – analogi do wrażliwości klimatycznej – w celu zbadania potencjalnego stopnia zmian w zbiorowiskach roślinnych w ciągu najbliższych trzech stuleci”, powiedział Bergengren. „Zaskakujący stopień ekologicznej wrażliwości ekosystemów Ziemi przewidziany przez nasze badania podkreśla globalny imperatyw przyspieszenia postępu w kierunku zachowania różnorodności biologicznej poprzez stabilizację klimatu na Ziemi”.
Jest to zadanie bardzo pilne gdyż prędkość klimatyczna przyspiesza wraz z coraz szybszym z dekady na dekadę wzrostem średniej temperatury powierzchni Ziemi, zarówno w oceanach, jak i w atmosferze.
Hotspoty w tropikach
Co najmniej połowa gatunków roślin i zwierząt na wielu obszarach tropikalnych, takich jak jak np. Amazonia i Wyspy Galapagos, jest zagrożona lokalnymi wyginięciami do końca XXI wieku z powodu zmian klimatu, jeśli emisje węgla będą nadal rosły bez kontroli.
Według przełomowego nowego badania “The Implications of the United Nations Paris Agreement on climate change for globally significant biodiversity areas” [“Konsekwencje Porozumienia Paryskiego Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu dla obszarów bioróżnorodności o znaczeniu globalnym”] przeprowadzonego w 2018 roku przez zespół naukowców z Centrum Badań Zmian Klimatu Tyndall w University of East Anglia (UK), główna autorka badania, Rachel Warren, stwierdza następujący fakt:
„Nasze badania ukazują korzyści płynące z ograniczenia globalnego ocieplenia do 2 ° C dla gatunków na 35 najbardziej bogatych w przyrodę obszarach świata. Przebadaliśmy 80 000 gatunków roślin , ssaków, ptaków, gadów i płazów, i stwierdziliśmy, że 50% gatunków może zostać utraconych z tych obszarów, jeśli nie weźmie się pod uwagę polityki klimatycznej. Jeśli jednak globalne ocieplenie zostanie ograniczone do 2 ° C względem okresu przedindustrialnego, można tą liczbę ekstynkcji zmniejszyć do 25%. Nie zbadano ograniczenia ocieplenia do 1,5 ° C, ale oczekuje się, że ochroni on jeszcze więcej dzikich zwierząt ”.
Raport ten stwierdza, że:
– do 90% płazów, 86% ptaków i 80% ssaków, w tym afrykańskie dzikie psy, może potencjalnie wyginąć lokalnie w lasach Miombo w Południowej Afryce
– Amazonia może stracić 69% gatunków roślin.
– w południowo-zachodniej Australii 89% płazów może wyginąć na miejscu
– 60% wszystkich gatunków jest zagrożonych wyginięciem na Madagaskarze
– w Fynbos, w regionie Zachodniego Przylądka w Południowej Afryce doświadczającym silnej suszy, niedobory wody, takie jakie wystąpiły w Kapsztadzie, mogą przyczynić się do lokalnego wyginięcia jednej trzeciej gatunków tam występujących, z których wiele jest unikatowych dla tego regionu
– zmniejszające się opady deszczu w basenie Morza Śródziemnego, na Madagaskarze i w ekosystemach trawiastych Cerrado i bagiennych Pantanalu w Argentynie doprowadzają do kurczenia się różnorodności biologicznej
– coraz mniejsze zasoby wodne doprowadzają do śmierci z pragnienia wielu osobników słoni afrykańskich, które muszą pić 150-300 litrów wody dziennie
– 96% terenów lęgowych tygrysów na Sundarbanach może zostać zatopionych przez coraz wyższy i szybszy wzrost poziomu morza
– grożba wyginięcia żółwi morskich z powodu występowania stosunkowo małej liczby narodzonych męskich osobników żółwi morskich ze względu na to, że przy wysokich temperaturach rodzi się więcej osobników żeńskich
Fot. Słonie z Afryki Wschodniej ŹRÓDŁO: WWF
Fot.2. Tygrys azjatycki Źródło: Wikipedia
Przy wzroście średniej temperatury globalnej o 2 ° C, jeśli gatunki mogą swobodnie przemieszczać się w nowe miejsca, ryzyko lokalnego wyginięcia zmniejsza się z około 25% do 20%. Jeśli gatunki nie mogą przemieszczać się, mogą niestety być narażone na 100 % lokalne wyginięcie. Większość roślin takich jak storczyki, płazów i gadów, takich jak żaby i jaszczurki, nie może poruszać się wystarczająco szybko, aby nadążyć za tymi zmianami klimatycznymi.
Hipoteza stabilności klimatu
Stuart Brown, pracownik naukowy z tytułem doktora, University of Adelaide, na podstawie zbiorowej pracy z 2020 roku, zatytułowanej “Persistant Quarternary climate refugia are hospices for biodiversity in the Anthropocene” [“Trwałe czwartorzędowe refugia klimatyczne są hospicjami bioróżnorodności w antropocenie”], której był głównym autorem, na łamach serwisu Ecology & Evolution mówi, że hipoteza stabilności klimatu dla gradientu szerokości geograficznej dla różnorodności biologicznej zakłada, że regiony o względnie stabilnych temperaturach, w okresach gwałtownych globalnych zmian klimatu, zapewniają ważne schronienia klimatyczne dla pobliskich organizmów, umożliwiając im przetrwanie, rozwój i zapoczątkowanie nowych linii rodowych. Bezpośrednio przetestowano tę teorię przy użyciu 21 000 lat ciągłych danych klimatycznych , nowych wskaźników do obliczania i klasyfikacji stabilności klimatu oraz milionów zapisów występowania gatunków.
Ponad 58% tropikalnych środowisk lądowych i morskich doświadczyło stabilnych warunków temperaturowych w ciągu ostatnich 21 000 lat. Przez ten okres czasu zachodziło znaczne nakładanie się między stabilną temperaturą a niestabilnymi warunkami opadów. Te ostatnie mogą promować różnorodność biologiczna poprzez podział nisz ekologicznych.
Rys.2. Bogactwo gatunków było wyższe w regionach, w których występowały stabilne temperatury i niestabilne warunki opadów w ciągu ostatnich 21 000 lat ( A ). Spodziewamy się dużych zmian w regionalnej stabilności klimatu między przeszłością ( B ) a przyszłością ( C ) – szczególnie w tropikach, w których prognozowane są duże zmiany ze stabilnych na niestabilne warunki temperaturowe. Zobacz nasz artykuł tutaj, aby uzyskać więcej informacji.
Patrząc na koniec XXI wieku, naukowcy szacują, że ponad 55% lądów i oceanów, które w przeszłości wykazywały stabilne warunki temperaturowe, stanie się niestabilna do 2100 roku. Przyszłość jest najbardziej złowieszcza w tropikach ze stratami przekraczającymi 42% regionów klimatycznych na obszarach lądowych o stabilnych temperaturach i niestabilnych warunkach opadów. Straty te prawdopodobnie będą miały silny wpływ na różnorodność biologiczną w regionach takich jak wilgotne tropikalne tereny Australii, Madagaskaru i lasów gwinejskich w Afryce Zachodniej, Andów i gorącego punktu Indo-Birmy w tropikalnej Azji. Co ciekawe, znalezione zostały podobne wzorce zmian względem bioróżnorodności, zarówno w scenariuszach emisji na wysokim (RCP8.5) i średnim poziomie (RCP4.5).
Nagłe zmiany w systemach ekologicznych
Ekolog Monica G. Turner wraz ze swym zespołem badawczym w swojej pracy naukowej z marca 2020 roku “Climate change, ecosystems and abrupt change: science priorities” [“Zmiana klimatu, ekosystemy i gwałtowna zmiana: naukowe priorytety”] zauważyła, że zmienność klimatu już teraz ma bardzo silny związek i będzie mieć jeszcze większy w najbliższej przyszłości z nagłymi i nieodwracalnymi zmianami w ekosystemach. Nagłe zmiany w systemach ekologicznych (ACES) są trudne do zaobserwowania empirycznie, ponieważ zdarzenia ekstremalne są ze swej natury stochastyczne i rzadko przewidywalne. Niemniej autorzy wzywają wszystkich naukowców, aby priorytetem było wykrywanie, wyjaśnianie i przewidywanie ACES w odpowiedzi na zachodzące zmiany klimatu. W szczególności dotyczy to hotspotów.
Badaczka zauważa, że nie ma już powrotu do „nowej normalnej równowagi”, raczej zaczynamy obserwować przyspieszenie tempa zmian intensywności i częstotliwości określonych czynników prowadzących do ubożenia różnorodności biologicznej. Badanie identyfikuje ważne zasady ogólne, które prowadzą do pytań i hipotez dotyczących przyszłych badań. Są to:
niektóre wymiary systemów ekologicznych, które są bardziej podatne na nagłe zmiany niż inne;
ekstremalne zmiany klimatu, które mogą być bardziej prawdopodobne niż średnie tendencje do wywołania stopniowych zmian.
Np., bielenie koralowców napędzane jest raczej przez ekstremalne fale upałów niż stopniowe ocieplenie oceanów.
Wiele czynników często współdziała w celu wytworzenia ACES.
Np. ekstremalna susza spowodowana zmianami klimatu czy też ekstremalny pożar mogą prowadzić jednocześnie do nagłych zmian ekosystemów lądowych z leśnych na nieleśne.
Z kolei wprowadzone patogeny w połączeniu z ociepleniem klimatu mogą powodować szkodliwy wpływ na wiele populacji wrażliwych gatunków drzew.
Nieprzewidziane zdarzenia historyczne, jak np., dziedzictwo ekologiczne, częstotliwość i kolejność zakłóceń, kontekst przestrzenny, są bardzo ważnymi czynnikami napędzającymi ACES ze względu na pamięć ekosystemu. Silne pozytywne sprzężenie zwrotne w ekosystemach, zwłaszcza w hotspotach, mogą czasami prowadzić do trwałych zmian prowadzących do coraz poważniejszej redukcji bioróżnorodności. I niestety to już się zaczyna powoli dziać.
Przesunięcia biomów
Ocieplenie klimatu ma coraz większy wpływ na to, że biomy przesuwają się od równika w kierunku biegunów wraz pewną liczbą gatunków, które jeszcze nadążają za szybko zachodzącymi zmianami klimatu. Przesunięcia gatunków występują na obszarach o wysokiej prędkości zmiany klimatu – szybkości, z jaką obszar stałej temperatury porusza się po Ziemi. Pierwsze opracowania na ten temat podał Scott Loarie w pracy zespołowej w 2009 roku “The velocity of climate change” [“Prędkość zmiany klimatu”].
Patrick Gonzalez w pracy zespołowej z 2010 roku “Global patterns in the vulnerability of ecosystems to vegetation shifts due to climate change” [“Globalne wzorce podatności ekosystemów na zmiany roślinności spowodowane zmianami klimatu”] pisze wprost:
“Zmiana klimatu grozi przesunięciem roślinności, zaburzeniem ekosystemów i szkodą dla dobrostanu ludzi. Obserwacje terenowe w ekosystemach borealnych, umiarkowanych i tropikalnych wykryły zmiany biomu w XX wieku, jednak brak danych przestrzennych na temat wrażliwości utrudnia organizacjom zarządzającym zasobami naturalnymi określenie obszarów priorytetowych dla działań adaptacyjnych. Badamy potencjalne metody identyfikacji obszarów wrażliwych na zmiany roślinności i potencjalne ostoje.”
I dodaje, że dzieje się tak na wszystkich kontynentach i wodach oceanicznych.
Zespół naukowy Michaela Burrowsa zauważył już w pracy z 2011 roku “The pace of shifting climate in marine and terrestrial ecosystems” [“Tempo zmiany klimatu w ekosystemach morskich i lądowych”], że istotna jest nie tylko prędkość zmian klimatu, czyli geograficzne przesunięcia izoterm w czasie, ale i też przesunięcie w czasie sezonowości temperatur. Również zauważył, że na niektórych szerokościach w oceanach są obserwowane większe prędkości zmiany klimatu niż na lądach, choć te pierwsze ocieplają się znacznie wolniej niż te drugie. Naukowcy zaobserwowali, że w Stanach Zjednoczonych w latach 1960-2009 prędkości klimatyczne wyniosły do 20 km rocznie.
Brody Sandel w pracy zespołowej z 2011 roku “The influence of late quaternary climate change velocity on species endemism” [“Wpływ szybkości zmiany klimatu póżnego czwartorzędu na endemizm gatunków”] obliczył, że od ostatniego maksimum lodowcowego 21 000 lat temu do dzisiaj, prędkość zmiany klimatu wynosi rocznie 0,002 km rocznie.
Obie prace z kolei wzięła pod uwagę w 0213 roku Nancy Grimm ze swoimi badaczami opisując skalę porównawczą zachodzenia tempa zmiany klimatu w sposób naturalny podczas przechodzenia glacjału w interglacjał ze zmianą klimatu, która zaszła w ciągu nie całych 50 lat w pracy “The impact of climate change on ecosystem structure and function” [“Wpływ zmiany klimatu na strukturę i funkcję ekosystemu”]. Główna autorka tejże pracy dalej zauważa, że obserwacje terenowe i modele biogeochemiczne sugerują, że przesunięcia biomów przyczyniły się do wzrostu produktywności pierwotnej netto (NPP) w strefach ekspansji lasów w wyniku ocieplenia, podczas gdy zaobserwowano zmniejszoną NPP w przejściu borealno-umiarkowanym z powodu stresu suszowego.
Rys.3. Główne historyczne zmiany na poziomie ekosystemu wykryte w USA i związane ze zmianami klimatu, w tym stratyfikacja termiczna, zarażenia kornika, przesunięcia biomu, wzrost lasów, śmiertelność lasów, przerywanie strumienia, zwiększony przepływ strumieni i przyspieszone płukanie składników pokarmowych oraz pożar. Pokrycie terenu: Pokrycie terenu w Ameryce Północnej 2005. Natural Resources Canada, US Geological Survey, Insituto Nacional de Estadística y Geografía, Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad oraz Comisión Nacional Forestal. Ikony: sieć integracji i aplikacji, University of Maryland. Aby uzyskać bardziej szczegółowy opis każdej z tych zmian, zobacz WebTable 1 ; powiązane cytaty, patrz WebReferences .
Masowe wymieranie w hotspotach
Masowe wymieranie gatunków już trwa od co najmniej, od lat 70 XX wieku. Rozrastająca się populacja ludzka przyczynia się do kurczenia liczby naturalnych ekosystemów, zwłaszcza leśnych i bagiennych, wraz z nieustannym spalaniem paliw kopalnych przyspieszającym wielokrotnie wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi nad kontynentami i nad oceanami.
https://climate.nasa.gov/news/645/climate-change-may-bring-big-ecosystem-changes/
https://link.springer.com/article/10.1007/s10584-011-0065-1
https://link.springer.com/article/10.1007/s10584-018-2158-6
https://www.nature.com/articles/s41558-019-0682-7
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2019.0104
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2019.0105
https://www.researchgate.net/publication/40768520_The_velocity_of_climate_change
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/j.1466-8238.2010.00558.x
https://science.sciencemag.org/content/334/6056/652.abstract
https://science.sciencemag.org/content/334/6056/660
https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1890/120282