Малоизвестная, но очень большая проблема морской гипоксии.
Карин Э. Лимбург
Люди страдают от Covid-19. Нам нужен кислород в наших тканях, чтобы поддерживать работу нашего тела и чистоту мозга; вирусное повреждение наших легких лишает тела этого жизненно важного растворенного газа.
Это состояние с кислородным голоданием называется гипоксией, и оно также является серьезным заболеванием во многих частях мирового океана, а также в эстуариях, лагунах, реках и озерах. Морская гипоксия привлекает гораздо меньше внимания общественности, чем закисление или потепление океана, но во многих частях мира ее последствия могут быть столь же серьезными, и проблема усугубляется.
Причины морской гипоксии двоякие. Первый, который изучался больше всего, - это проблема чрезмерного обогащения питательными веществами, которая приносит слишком много хорошего. Огромные количества питательных веществ вносятся на сельскохозяйственные поля в виде удобрений, они выливаются из наших канализационных и септических систем и из выхлопных труб автомобилей. Некоторые из них неизбежно попадают в воду, стимулируя цветение крошечного планктона, который в конечном итоге умирает и разлагается. Процесс разложения потребляет кислород, и возникает гипоксия. Очистные сооружения помогли, но этого недостаточно. Некоторые гипоксические воды, насыщенные питательными веществами, теперь являются печально известными «мертвыми зонами», например, северная часть Мексиканского залива, Чесапикский залив и озеро Эри, чаще всего летом.
Другая важная причина - глобальное потепление. Более теплая вода не может удерживать столько растворенного кислорода, как более холодная вода. Он также легче и, следовательно, имеет тенденцию плавать над более холодными слоями, отрезая их от атмосферного обмена, так что они в конечном итоге также становятся дезоксигенированными. Это явление не связано напрямую с чрезмерным обогащением питательными веществами, но может усугубить и усилить мертвые зоны и повлиять на глубокие океанические воды, в которых мало питательных веществ. Потепление - глобальная проблема, влияющая на кислородный статус всех вод, а также подпитывает цветение водорослей, которые умирают и разлагаются, снова вызывая цикл потери кислорода.
Широкая публика и даже многие ученые - не осведомлены о быстро расширяющемся масштабе деоксигенации. Среди первых исследователей, описавших это, были морские экологи Боб Диас и Рутгер Розенберг, которые в 1980-х годах начали изучать воздействие на донные организмы в устьях рек и прибрежных морей. В 1995 году они писали: «Нет другой экологической переменной, имеющей такое экологическое значение для прибрежных морских экосистем, которая так сильно изменилась бы за такой короткий период, как растворенный кислород».
В 2008 году Диас и Розенберг опубликовали в журнале знаменательное исследование, в котором Science задокументировано более 400 таких зон и показано, что их рост был экспоненциальным. К 2019 году их число превысило 700, а возможно, и 1000 прибрежных мертвых зон. Если мы составим диаграмму известной истории роста и закодируем ее цветом по валовому мировому продукту, индексу глобального экономического производства, мы сможем оценить связь этих мертвых зон с деятельностью человека:
Деоксигенация в открытых океанах, вдали от побережья, распространяется все дальше и глубже и в значительной степени вызвана вышеупомянутой тенденцией теплой воды закрывать прохладные воды внизу. Степень и распространение этих так называемых зон минимального содержания кислорода не было полностью оценено примерно 15 лет назад, когда улучшенные приборы позволили ученым их измерить. Десять лет назад их общая площадь оценивалась в 8 процентов площади поверхности океана Земли - в общей сложности 11,7 миллиона квадратных миль, площадь больше Северной Америки и сопоставима по размеру со всем африканским континентом. Сегодня эта область расширяется.
Кратковременные периоды гипоксии - или даже отсутствия кислорода, явление, называемое аноксией - обычны в природе, и многие организмы адаптируются, удаляясь или временно переходя в спячку. Очень немногие виды исключительно терпимы и даже имеют специальные метаболические пути, чтобы справиться с этими обстоятельствами. Однако по мере увеличения масштабов деоксигенации мы видим такие масштабные и продолжительные события с низким содержанием кислорода, что даже очень подвижные организмы, такие как рыбы, не всегда могут убежать. Некоторые могут выжить, но становятся настолько слабыми, что им трудно передвигаться и находить пищу, не говоря уже о ее переваривании. Подумайте о больных Covid-19, которые настолько истощены из-за недостатка кислорода, что едва могут двигаться. Это та же основная проблема. По мере того как ученые изучают проблему дезоксигенации в морской среде, мы все чаще наблюдаем ее влияние на все, от роста рыб до нарушения репродуктивной функции.
Хотя большинство исследований биотических эффектов деоксигенации проводилось в лабораториях, мой коллега Бен Вальтер и я вместе с нашими студентами и коллегами научились расшифровывать признаки воздействия гипоксии, которые «записываются» в крошечных костях внутри рыбьих голов. называемые отолитами или ушными камнями. Эти отложения карбоната кальция постепенно увеличиваются и поглощают различные микроэлементы, включая марганец, который становится доступным только при очень низких концентрациях кислорода. Изучая потребление марганца в течение всей жизни, биолог Микеле Казини и я показали, что периоды интенсивной гипоксии оказывают сильное влияние на рост и здоровье атлантической трески в Балтийском море. При меньшем доступе кислорода треска имеет меньше энергии для кормления и борьбы с паразитами и инфекциями. В результате они нездоровы и сморщены по сравнению с треской, живущей в более благоприятных условиях. К трем годам треска с высоким уровнем воздействия гипоксии на треть меньше, чем здоровая треска из богатой кислородом воды. Умножьте это на размер популяции, и вы получите грандиозную потерю биомассы. Это имеет прямые экономические последствия и, вероятно, причиняет огромные страдания самим рыбам.
Деоксигенация влияет и на целые экосистемы. Недавние исследования показали, что на больших участках океана даже зоопланктон, микроскопические животные, которые кормят рыб, часто живут на грани метаболического коллапса. Исследование в восточной тропической зоне минимума кислорода в северной части Тихого океана показало, что зоопланктон мигрирует в микроместообитания с чрезвычайно низким содержанием кислорода и из них; они относятся к числу организмов, наиболее устойчивых к гипоксии, но уже находятся на пределе своего метаболизма. Прогнозируемое дальнейшее снижение содержания кислорода может вывести их из-под контроля, что будет иметь важные последствия для круговорота углерода и других биогеохимических процессов в открытом океане. Пищевые сети подвергаются опасности, особенно на морском дне; Есть много задокументированных случаев, когда уязвимые сообщества беспозвоночных становились жертвами гипоксических явлений, поскольку они не могли бежать. Было даже обнаружено, что гипоксия вызывает массовую смертность в экосистемах коралловых рифов, а в некоторых случаях может играть не менее важную роль, чем более известный виновник повышенной температуры воды. Даже экосистемы открытой воды меняются по мере того, как объем здоровой среды обитания сокращается, а виды собираются вместе, что приводит к новым взаимодействиям трофической сети. Сеть долгосрочных осложнений Covid-19 представляет собой странную параллель.
К счастью для человечества, вакцина от Covid-19 должна быть доступна в 2021 году. Перспективы для Мирового океана не столь оптимистичны, но и не безнадежны. Подумайте о первоначальном ответе на вирус, которому препятствовала нехватка необходимых медицинских материалов и технологий, включая маски и респираторы; Как только проблемы были обнаружены, появилась возможность расставить приоритеты в производстве для решения проблемы.
В случае прибрежной гипоксии уменьшение загрязнения питательными веществами в сочетании с восстановлением водно-болотных угодий и водорослей сродни маскам и респираторам. Они помогают защитить экосистемы и повысить их устойчивость. Эти подходы привели, например, к значительному улучшению качества воды и последующему восстановлению биоразнообразия в водах у берегов залива Тампа, Флорида. И после десятилетий рационального использования питательных веществ в некоторых частях Балтийского моря и Чесапикского залива начинают появляться признаки восстановления.
Надвигающаяся проблема, как слон в комнате, заключается в том, чтобы справиться с глобальным потеплением, что потребует новой экономической политики в национальном и глобальном масштабах и приверженности правительств и граждан во всем мире. Глобальное потепление, хотя и омраченное в новостном цикле Covid-19, все еще растет, чему способствует выброс парниковых газов человеком. Мы должны изогнуть кривую выбросов парниковых газов, точно так же, как мы должны сгладить кривую Covid-19. Без таких изменений мы движемся в мрачном, пугающем направлении, куда никому действительно не хочется идти.