Wielka migracja małych istot

Co drugi oddech w naszym życiu zawdzięczamy oceanowi. A dokładniej żyjącym na jego powierzchni mikro­organizmom zdolnym do fotosyntezy, które produkują około połowy tlenu na naszej planecie. Najważniejszą grupę wśród nich stanowi tzw. fitoplankton – określenie to pochodzi od greckich słów oznaczających roślinę (phyton) i włóczęgę (planktos). Nazwą plankton określa się różne mikroskopijne istoty – zaliczane do zwierząt, roślin, grzybów, bakterii, a nawet wirusów – które nie potrafią się samodzielnie poruszać, a jedynie unoszą się w wodzie czy w powietrzu z prądem lub wiatrem.

Jak podkreślał Michael Behrenfeld w analizie o poetycko brzmiącym tytule: „Klimatyczny taniec planktonu”, opublikowanej w 2014 r. w „Nature Climate Change”, wydajność fitoplanktonu w produkcji tlenu jest olbrzymia, biorąc pod uwagę, że stanowi on jedynie 1 proc. biomasy roślin lądowych. A jego rola w utrzymaniu globalnej równowagi jest nie do przecenienia.

Nie mniejszą rolę w ekosystemach odgrywa zooplankton (mikroorganizmy zwierzęce), będący podstawą niezliczonych łańcuchów pokarmowych i regulujący obieg materii w przyrodzie. Dlatego każda destabilizacja działania planktonu prędzej czy później odbije się na całej przyrodzie. A wiele wskazuje na to, że bardzo poważna zmiana dokonuje się właśnie teraz. Z publikacji, która ukazała się w październiku 2021 r. w „Nature Communications”, wynika, że obecnie jesteśmy świadkami masowego przemieszczania się planktonu. Organizmy wchodzące w jego skład „uciekają” z dotychczasowych miejsc bytowania do nowych lokalizacji, a tym samym zapoczątkowują kaskadę zmian w dużych ekosystemach.

W gorącej wodzie

W odniesieniu do planktonu można mówić o dwóch rodzajach migracji. Pierwsza to wertykalna (wędrówka z powierzchni wody ku głębinom i odwrotnie), a druga – horyzontalna (zmiana długości i szerokości geograficznej).

– Migracja pionowa nie jest dla planktonu niczym nowym ani nieprawidłowym – mówi „Tygodnikowi” dr Fabio Benedetti, fizyk środowiskowy z Politechniki Federalnej w Zurychu, pierwszy autor wspomnianej publikacji. – W naszych badaniach skupiliśmy się na wędrówce horyzontalnej. Najważniejszą zmianą, jaką uchwyciliśmy, było to, że z powodu wzrostu średniej temperatury oceanów, związanej ze zmianami klimatycznymi, plankton, który dotychczas żył w okolicach równika, zaczął masowo migrować w kierunku biegunów. Ta zmiana jest szczególnie widoczna na półkuli północnej. Zastosowane przez nas modele klimatyczne oraz statystyczne wykazały, że proces ten będzie postępował tym bardziej, im bardziej będzie rosła średnia globalna temperatura – dodaje dr Benedetti.

Dlaczego tak się dzieje? Czemu plankton zmienia swój zasięg występowania?

– Przyczyn jest tu wiele, ale bodaj najważniejszą jest uzależnienie metabolizmu od temperatury. My, ludzie, ­jesteśmy organizmami stałocieplnymi, nasze ciała posiadają zdolność utrzymywania stałej temperatury ciała i stałego poziomu metabolizmu niezależnie od tego, czy w naszym środowisku jest plus 15, czy minus 15 stopni – odpowiada dr Benedetti. – Ale do planktonu należą organizmy zmiennocieplne. Ich metabolizm i podstawowe funkcjonowanie zależą od temperatury otoczenia, dlatego kluczowe jest dla nich pozostawanie w fizjologicznej niszy temperaturowej. Wprawdzie w ciepłej wodzie procesy metaboliczne takich organizmów zachodzą efektywniej, ale wyłącznie do momentu, w którym temperatura otoczenia nie przekroczy poziomu wytrzymałości tych istot. Wtedy pozostaje im tylko zmienić zasięg występowania – dodaje.

Walka o biegun

Mogłoby się wydawać, że skoro plankton jest w stanie zareagować na zmieniające się warunki otoczenia, migrując do innych rejonów, to nic groźnego się nie dzieje. Jednak to złudne wrażenie. Jak zauważyli Chhaya Chaudhary i współpracownicy w kwietniu 2021 r. w „PNAS”, w prawidłowych warunkach plankton tropikalny, międzyzwrotnikowy, powinien być bardzo bujny, obfity, reprezentowany przez ogromną ilość i wielką różnorodność organizmów. Jeśli ich dotychczasowe miejsce bytowania stanie się zbyt gorące i doprowadzi do masowej migracji w inne rejony świata, to co będzie stanowiło podstawę ekosystemów w strefie międzyzwrotnikowej? Zabraknie bazowego stopnia na drabinie troficznej i tropikalne sieci zależności się załamią. A to nie koniec problemów. Skoro bowiem organizmy tropikalne zmienią zasięg występowania i przeniosą się bliżej biegunów, to co się stanie z tym planktonem, który dotychczas żył w zimniejszych wodach?

KRYL JEST JEDEN

MIKOŁAJ GOLACHOWSKI: Oto dominujący gatunek na naszej planecie. Około 500 milionów ton biomasy. Wagowo jest go o jedną trzecią więcej niż ludzi. Król Antarktyki!

Z analizy Jacoba Bedforda i współpracowników, opublikowanej w 2020 r. w „Global Change Biology”, wynika, że duża część gatunków zimnolubnych zostanie wyparta przez kuzynów ze strefy międzyzwrotnikowej.

– Potwierdzają to również nasze modele – zgadza się dr Benedetti. – Gatunki, które obecnie bytują w okolicy biegunów, nie będą miały gdzie wyemigrować, nie znajdą dla siebie wystarczająco chłodnej wody. Zostaną więc stopniowo wyparte przez plankton, który wcześniej zasiedlał rejony położone bliżej równika – dodaje.

Jakie to będzie miało konsekwencje? Plankton można – w uproszczeniu – podzielić na dwa typy: ciepłolubny i zimnolubny. Ten pierwszy reprezentowany jest zwykle przez organizmy małe, ale bardzo liczne, należące do wielu różnych gatunków. W skład tego drugiego natomiast wchodzą organizmy o większych rozmiarach, ale za to mniej liczne i mniej zróżnicowane. Skoro zaś podstawa ­ lokalnych łańcuchów troficznych jest tak odmienna, to również same sieci zależności pokarmowych w wodach ciepłych i zimnych bardzo się różnią.

– Ekosystemy polarne są bardzo odmienne od ekosystemów tropikalnych – potwierdza dr Benedetti. I dodaje: – Te pierwsze opierają całą swoją równowagę na niewielkiej liczbie organizmów, na krótkich i mało skomplikowanych łańcuchach pokarmowych. Łańcuchy te, choć nieskomplikowane, są jednak bardzo efektywne: z jednego poziomu troficznego na drugi przekazywane są bardzo duże ilości energii. Cały ekosystem polega na niewielkiej liczbie organizmów, a droga od fitoplanktonu do np. niedźwiedzia polarnego jest bardzo krótka. Inaczej jest w tropikach, gdzie systemy zależności są tak skomplikowane, że istnieje w nich bardzo wiele powiązań i połączeń.

Złożoność w prostocie

W tak precyzyjnie wykalibrowanych maszyneriach, jakimi są polarne ekosystemy, nawet niewielkie zmiany i wahania mogą prowadzić do poważnych konsekwencji. Utrata choćby jednego elementu może rozregulować cały system.

– Jeśli jakiś typ organizmów zmniejszy swoją biomasę, to gatunki, które na nim żerują, będą musiały znaleźć nowe rozwiązania. Np. żerować przez dłuższy czas, żeby zapewnić sobie odpowiednią ilość energii. W przeciwnym razie konsumenci kolejnych rzędów pozostaną niedożywieni – zauważa dr Benedetti.

Ale może na cały problem należałoby jednak spojrzeć od innej strony? Jeśli polarne gatunki planktonu zostaną wyparte przez przybyszów z równika, to bioróżnorodność w polarnych ekosystemach powinna się zwiększyć. Czy zatem zastąpienie dotychczasowych, skromnych i ascetycznych systemów troficznych nowymi, bogatszymi i bardziej zróżnicowanymi nie jest powodem do zadowolenia?

– Taki punkt widzenia jest bardzo uproszczony i bardzo antropocentryczny – twierdzi dr Benedetti. – Mamy tendencję do tego, by sądzić, że więcej organizmów i większa różnorodność to zawsze coś dobrego. Ale musimy na te zagadnienia spojrzeć z punktu widzenia konkretnego ekosystemu. Polarne systemy są bardzo specyficzne, ich funkcjonowanie nie koreluje z liczbą gatunków, jakie je tworzą – dodaje.

W tej polarnej prostocie ukryta jest wielka złożoność, którą badacze nadal usiłują zrozumieć.

– Zwłaszcza w odniesieniu do planktonu, co do którego nadal nie wiemy nawet, jaka jest optymalna liczba gatunków w danym ekosystemie – przyznaje dr Benedetti.

Dwa stopnie cieplej

Najnowsza, ubiegłoroczna wersja raportu Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC) sugeruje, że najprawdopodobniej nie uda się zatrzymać wzrostu globalnej temperatury poniżej 2 stopni w porównaniu z epoką przedprzemysłową. Co to oznacza dla globalnych migracji planktonu – i łańcuchów pokarmowych na całej planecie?

– Nawet 50-70 proc. powierzchni oceanów na świecie może doświadczyć dużej zmiany bioróżnorodności – mówi „Tygodnikowi” prof. Martin Edwards, badacz ekologii oceanicznej z University of Plymouth i jeden ze specjalistów IPCC. – Wiele morskich gatunków równikowych może wyginąć, a niektóre organizmy żyjące w ciepłych wodach będą zmuszone znaleźć chłodniejsze habitaty. W siedliskach, w których temperatura wody będzie akceptowalna, wzrośnie konkurencja pomiędzy gatunkami rdzennymi a nowo przybyłymi. Dodatkowo, topnienie arktycznego lodu zwiększy prawdopodobieństwo migracji pomiędzy Oceanem Spokojnym a Atlantykiem. Należy się spodziewać, że zmiany te doprowadzą do destabilizacji tychże ekosystemów – dodaje prof. Edwards.

Jak intensywnie zachodzi ten proces i jak gwałtownych konsekwencji należy się spodziewać?

– Zmiany w ekosystemach bazujących na planktonie obserwujemy w różnych lokalizacjach świata od około 50 lat – mówi prof. Edwards. – Obejmują one różnice w różnorodności organizmów, w ich składzie gatunkowym, produkcji materii. Ważną zmianą jest również rozmieszczenie poszczególnych gatunków. Widzimy wyraźnie, że na przestrzeni ostatnich 50 lat zarówno plankton, jak i podążające za nim ryby przesunęły granice swojego występowania w kierunku biegunów. W tym czasie niektóre gatunki planktonu żyjące w Atlantyku przesunęły się ku północy o 10 stopni szerokości geograficznej. Z naszych obliczeń wynika, że dotychczas tempo tego ruchu wynosiło średnio 200-250 km na dekadę.

Skorupka bardziej krucha

Globalna migracja planktonu może skutkować kilkoma rodzajami reakcji ze strony zwierząt znajdujących się na wyższych poziomach drabiny troficznej. Po pierwsze, mogą one podążać za swoim pożywieniem i również zmieniać zasięg występowania, jak to zauważył prof. Edwards.

Po drugie, same mogą podlegać takim samym zmianom jak plankton, którym się żywią. Np. zmniejszać swoje rozmiary. – Procesy tego typu obserwujemy już u ryb – potwierdza dr Benedetti i dodaje: – Globalnie rozmiar ryb stopniowo maleje. Jest to spowodowane kilkoma czynnikami, ale jednym z nich jest właśnie zmniejszona produktywność systemu: mniejszy pokarm – mniejsi konsumenci. Analogicznych zmian możemy się w przyszłości spodziewać również u innych gatunków.

Po trzecie, część gatunków może po prostu nie wytrzymać presji: – Migrujący plankton już wcześniej doprowadził do kilku katastrof – zauważa prof. Edwards. – Np. zasoby dorsza w Morzu Północnym zmniejszyły się nie tylko ze względu na przełowienie czy wzrost temperatury wód, ale też z powodu drastycznego spadku liczebności ulubionego planktonowego pożywienia tych ryb. Spodziewamy się, że w przyszłości procesy te będą ulegały intensyfikacji, wywierając dodatkowy nacisk na już uszczuplone populacje ryb, ptaków i ssaków.

Skoro plankton stoi u podstaw całego obiegu materii w ekosystemie, to zmiany w obrębie wielkości, liczebności i występowania tych niewielkich organizmów mogą rzutować na bardzo podstawowe aspekty funkcjonowania konsumentów wyższych rzędów, zwłaszcza tych, dla których stanowią one jedyne źródło ­pożywienia. Czy zwierzęta, które żywią się wyłącznie planktonem, będą w stanie dostosować się do nowych proporcji składników odżywczych i mineralnych? Np. czy ptaki, które żerują na zooplanktonie, będą w stanie wyprodukować w okresie rozrodczym wystarczająco grube i wytrzymałe skorupki jaj, skoro dietetyczny pobór pierwiastków takich jak wapń ulegnie zmianie? A co za tym idzie – czy zapewnią zarodkom odpowiednie warunki rozwoju?

Pytania te mogą być szczególnie istotne w odniesieniu do tych zwierząt, które są bardzo liczne, a zarazem polegają niemal wyłącznie na planktonie. Tak jest chociażby w przypadku alczyków – jednych z najliczniejszych ptaków Arktyki, które żywią się różnymi typami zooplanktonu. Z pracy Johanny Hovinen i współpracowników, opublikowanej w 2014 r. w „Ecology and Evolution”, wynika, że już teraz zmiany wywołane przez globalne ocieplenie istotnie zmniejszają przeżywalność alczyków.

Można by pomyśleć, że migracja planktonu może być drastyczna w skutkach dla ekosystemów morskich, ale przynajmniej życie na lądach pozostanie bezpieczne? Jednak wszystkie układy biologiczne na Ziemi są ze sobą ściśle powiązane. Co więcej, w niektórych rejonach oceany są głównym (a czasem niemal jedynym) źródłem składników odżywczych. Taki stan rzeczy jest widoczny np. na wybrzeżach, a szczególnie w ekosystemach wyspiarskich, które – pozbawione związków organicznych pochodzących z oceanu – nie byłyby w stanie wyżywić żyjących na wyspie organizmów. Z analizy Luke’a Halpina i współpracowników, opublikowanej w zeszłym roku w „The American Naturalist”, wynika, że niektóre wyspy polegają wyłącznie na składnikach odżywczych i mineralnych, które zostaną „wyniesione” wprost z oceanu – np. przez ptaki morskie, żywiące się rybami i innymi organizmami morskimi. Zwierzęta te wprowadzają do wyspiarskiego ekosystemu kluczowe związki, bytując na lądzie, gdzie pozostawiają swoje odchody, skorupki jaj, a często również własne szczątki. Tym samym stanowią swego rodzaju bramę wejściową dla składników odżywczych i mineralnych, które następnie – dzięki konsumentom kolejnych rzędów, ale także dzięki reducentom i producentom (traktującym odchody ptaków jak nawóz) – są dystrybuowane po dalszych obszarach wyspy.

Megausługa

Z migracją planktonu i jego zmienionym składem wiąże się jeszcze jedno, bardzo istotne zagrożenie. Plankton nie tylko reaguje na globalne zmiany klimatyczne, ale też stanowi jeden z najważniejszych elementów, które regulują klimat, działając jako tzw. pompa biologiczna.

– Pompa biologiczna to ogół procesów, w które zaangażowany jest plankton, a które prowadzą do sekwestracji, czyli wyłapywania dwutlenku węgla z atmosfery i do uwalniania tlenu – wyjaśnia dr Benedetti. – Ten pierwszy komponent, czyli pompa węglowa, sprowadza się do tego, że organizmy planktoniczne wychwytują dwutlenek węgla z atmosfery i poprzez szereg swoich procesów metabolicznych wtłaczają go do oceanu – dodaje.

Biologiczna pompa węglowa – wraz z fizyczną pompą, na którą plankton nie ma wpływu – należą do najważniejszych mechanizmów regulujących klimat na Ziemi i zawartość dwutlenku węgla w atmosferze.

– Wiemy, że ilość energii, jaka jest produkowana przez dany system, jest skorelowana z liczbą gatunków, które wchodzą w skład układu – zauważa dr Benedetti. – Jeśli więc w planktonie dokona się zmiana polegająca na wyparciu dużych, ale mniej licznych gatunków przez mniejsze, ale liczniejsze, to pompa biologiczna będzie znacznie mniej efektywna, a wręcz może się przyczynić nie do spadku, lecz do wzrostu zawartości dwutlenku węgla w atmosferze ziemskiej.

Czy istnieje zatem jakieś rozwiązanie opisanego problemu i czy zachodzące już zmiany można zatrzymać? Kluczem do odpowiedzi jest temperatura.

– Plankton dostarcza nam tzw. usług ekosystemowych, do których należą właśnie produkcja tlenu czy sekwestracja węgla za pomocą pompy biologicznej – odpowiada prof. Edwards. – Jeśli globalne ocieplenie będzie gwałtownie postępowało, to również zmiany rozmieszczenia planktonu i jego składu będą postępowały.

Jedynym rozwiązaniem jest więc zahamowanie wzrostu globalnej temperatury. Tylko wtedy bowiem megausługa, którą realizują dla nas mikroistoty, będzie mogła być kontynuowana. ©