Hvordan klimaændringer kan påvirke alger i det globale hav

Global opvarmning vil sandsynligvis forårsage pludselige ændringer i vigtige algesamfund på grund af skiftende biodiversitets 'brudpunkt'-grænser i havene - ifølge forskning fra University of East Anglia og Earlham Institute.

En ny undersøgelse, offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturkommunikation , finder ud af, at når klimaændringerne udvider den varme halvkugle, disse grænser er forudsagt at flytte pol-wards i løbet af de næste 100 år.

I stedet for en gradvis ændring i mikrobiel diversitet på grund af opvarmning, forskerne foreslår, at det vil ske mere brat ved det, de kalder 'brudpunkter' - hvor som helst den øvre havtemperatur er omkring 15 grader i et årligt gennemsnit, adskille koldt og varmt vand.

Storbritannien er et af de områder, der med størst sandsynlighed vil blive hårdt ramt, og mere pludseligt end tidligere antaget. Men holdet siger, at ændringerne kan stoppes, hvis vi handler hurtigt for at stoppe klimaændringerne.

Prof Thomas Mock, fra UEA's School of Environmental Sciences, sagde:"Alger er afgørende for at opretholde et sundt økosystem for at balancere livet i havet. Ved at absorbere energi fra sollys, kuldioxid og vand, de producerer organiske forbindelser, som livet i havet kan leve af.

"Disse organismer understøtter nogle af de største fødevæv på Jorden og driver globale biogeokemiske kredsløb.

"Står for mindst 20 procent af den årlige globale kulstoffiksering, temperaturændringer kan have en betydelig indvirkning på de alger, som vores marine systemer, fiskeri og havets biodiversitet afhænger af.

"Vi ønskede bedre at forstå, hvordan klimakrisen påvirker alger verden over fra Arktis til Antarktis."

Forskningen blev ledet af forskere ved UEA i samarbejde med US Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI, USA) og Earlham Institute (UK).

Den store undersøgelse blev udført over mere end 10 år af et internationalt hold på 32 forskere, fra institutioner, herunder University of Exeter i Storbritannien og Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research i Tyskland.

Det involverede den første pol-til-pol-analyse af, hvordan alger (eukaryot planteplankton) og deres udtrykte gener er geografisk fordelt i havene. Dermed, holdet undersøgte, hvordan deres genaktivitet ændrer sig på grund af miljøforhold i det øvre hav fra pol til pol.

Da det øvre hav allerede oplever betydelig opvarmning på grund af stigende CO ₂ niveauer, forskerne vurderede, hvordan fordelingen af ​​disse algesamfund kan ændre sig baseret på en model fra Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 5 ^th Vurderingsrapport.

Algesamfundenes mangfoldighed og genaktivitet er formet af interaktioner med mikroskopiske encellede organismer, eller prokaryoter, som en del af komplekse mikrobiomer.

Forskerne fandt ud af, at disse globale samfund kan opdeles i to hovedklynger - organismer, der hovedsageligt lever i kolde polære og varme ikke-polære farvande.

De geografiske mønstre forklares bedst af forskellene i vandets fysiske struktur (f.eks. sæsonmæssigt blandet koldt versus permanent lagdelt varmt vand) i det øvre hav forårsaget af temperaturgradienter i bredden.

Organismerne blev analyseret gennem nukleinsyreekstraktion og DNA- og mRNA-sekventering af prøver indsamlet under fire forskningstogter i det arktiske hav, Nordatlanten, Det sydlige Atlanterhav og det sydlige Ocean.

Prof Mock sagde:"Betydende international indsats har givet indsigt i, hvad der driver mangfoldigheden af ​​disse organismer og deres globale biogeografi i det globale hav, imidlertid, der er stadig begrænset forståelse af miljøforhold, der er ansvarlige for forskelle mellem lokale artssamfund i stor skala fra pol til pol.

"Vores resultater giver ny indsigt i, hvordan skiftende miljøforhold hænger sammen med biodiversitetsændringer, der er underlagt store miljøudsving og -forstyrrelser. Denne viden er essentiel for at forudsige konsekvenserne af global opvarmning og kan derfor være retningsgivende for miljøstyring.

"Vi kan forvente, at havsystemerne omkring Storbritannien og andre lande på denne breddegrad bliver alvorligt påvirket, og mere pludseligt end tidligere antaget.

"Den største økosystemændring vil ske, når marine mikroalgesamfund og deres tilknyttede bakterier rundt om i Storbritannien vil blive erstattet af deres modstykker i varmt vand.

"Dette forventes at være forårsaget af den pole-ward-skiftende økosystemgrænse eller 'biodiversitetsbrudpunkt', der adskiller begge samfund. For at dette kan finde sted, den årlige gennemsnitlige øvre havtemperatur skal blive varmere end 15C.

"Det er dog ikke irreversibelt, hvis vi kan stoppe den globale opvarmning, " han tilføjede.

Medforfatter Dr. Richard Leggett ved Earlham Institute, tilføjede:"Denne undersøgelse viser også, hvilken vigtig rolle fremskridt inden for DNA-sekventeringsteknologier har spillet i forståelsen af ​​havbaserede økosystemer og, derved, hjælper forskere med at kaste lys over og kæmpe med nogle af de største miljømæssige udfordringer, som planeten står over for."

Arbejdet blev ledet af to tidligere ph.d. studerende fra UEA's Schools of Environmental Sciences and Computing Sciences, Dr. Kara Martin (også baseret på Earlham Institute) og Dr. Katrin Schmidt.

Dr. Martin sagde:"Disse resultater tyder på, at den vigtigste økologiske grænse i det øvre hav adskiller polære fra ikke-polære algemikrobiomer på begge halvkugler, som ikke kun ændrer den rumlige skalering af algemikrobiomer, men også forskyder polerne på grund af global opvarmning.

"Vi forudser, at 'brudpunkter' for mikrobiel diversitet vil bevæge sig markant mod polen på grund af opvarmning - især omkring de britiske øer - med bratte skift i algemikrobiomer forårsaget af menneskeskabte klimaændringer.

"Dette har været en vidunderlig oplevelse og en utrolig mulighed for at arbejde med et fantastisk team. Sammen, vi analyserede et fantastisk datasæt, som udvider breddegraden af ​​vores mikrobielle havforskning, gør det muligt for os at få indsigt i vores skiftende hav fra pol til pol."

Dr. Schmidt sagde:"Under vores forskningstogter har vi allerede bemærket ret forskellige algesamfund fra varmt til koldt vand. Dette første fund blev understøttet af vores resultater, der tyder på, at den vigtigste økologiske grænse i det øvre hav adskiller polære fra ikke-polære algemikrobiomer. på begge halvkugler. Og endnu vigtigere, denne grænse ændrer ikke kun den rumlige skalering af algemikrobiomer, men flytter også polerne på grund af global opvarmning."

Prof Tim Lenton, fra University of Exeter sagde:"Når havet varmes op med klimaændringer i dette århundrede, forudser vi, at 'brudpunktet' mellem kulde, polære mikroalgesamfund og varme, ikke-polære mikroalgesamfund vil bevæge sig nordpå gennem havene omkring de britiske øer.

"Da mikroalger er nøglen til bunden af ​​fødekæden, kan vi forvente store ændringer i resten af ​​det marine økosystem, med konsekvenser for fiskeriet, samt havbevaring.

"Den 'biologiske kulstofpumpe', hvorved havet optager kuldioxid fra atmosfæren, vil ændre sig med dette skift i mikroalgesamfund - højst sandsynligt bliver mindre effektive - hvilket igen kan feedback for at forstærke den globale opvarmning."

Sekventering blev udført på JGI som en del af Community Science Program-projektet Sea of ​​Change:Eukaryotic Phytoplankton Communities in the Arctic Ocean.

"Den biogeografiske differentiering af algemikrobiomer i det øvre hav fra pol til pol" er udgivet i Naturkommunikation den 16. september, 2021.