Naukowcy ze Stanford odkryli, że mikroskopijne organizmy morskie wytwarzają śluzowe „spadochrony”, które spowalniają ich opadanie, wpływając na skuteczność pochłaniania węgla przez oceany.
To odkrycie, które zaprzecza wcześniejszym przypuszczeniom dotyczącym oceanicznych pochłaniaczy dwutlenku węgla, sugeruje, że modele sekwestracji dwutlenku węgla mogą wymagać przeglądu.
Nowe spojrzenie na sekwestrację dwutlenku węgla w oceanach
Nowe badania prowadzone pod kierunkiem Stanforda ujawniają ukryty czynnik, który może zrewolucjonizować nasze rozumienie sposobu, w jaki oceany łagodzą zmiany klimatyczne. Opublikowano dzisiaj (10 października) w czasopiśmie Naukabadanie ujawnia niewidziane wcześniej „spadochrony” śluzowe wytwarzane przez mikroskopijne organizmy morskie, które znacznie spowalniają ich opadanie. Hamuje to kluczowy proces usuwania dwutlenku węgla z atmosfery. Zaskakujące odkrycia sugerują, że wcześniejsze szacunki dotyczące potencjału sekwestracji dwutlenku węgla przez ocean mogły być zbyt wysokie, torują one jednak również drogę do udoskonalenia modeli klimatycznych i zapewniania decydentom wskazówek w zakresie strategii łagodzenia zmiany klimatu.
„Nie szukaliśmy właściwej drogi” – powiedział starszy autor badania Manu Prakash, profesor nadzwyczajny bioinżynierii i oceanów w Stanford School of Engineering i Stanford Doerr School of Sustainability. „To, co odkryliśmy, podkreśla znaczenie podstawowych obserwacji naukowych i potrzebę badania procesów naturalnych w ich prawdziwym środowisku. Ma to kluczowe znaczenie dla naszej zdolności do łagodzenia zmian klimatycznych.”
Film przedstawiający tonięcie morskiego śniegu w nieskończonym słupie wody, wygenerowany przez maszynę grawitacyjną. Tonący śnieg morski wchodzi w interakcję z różnorodnymi planktonami, gdy przemieszcza się przez pionową kolumnę. Źródło: PrakashLab, Stanford
Odsłonięcie pompy biologicznej
Śnieg morski – mieszanina martwego fitoplanktonu, bakterii, grudek odchodów i innych cząstek organicznych – pochłania około jednej trzeciej dwutlenku węgla wytwarzanego przez człowieka z atmosfery i przenosi go na dno oceanu, gdzie jest zamknięty przez tysiąclecia. Naukowcy wiedzą o tym zjawisku – zwanym pompą biologiczną – już od jakiegoś czasu. Jednak dokładny sposób, w jaki opadają te delikatne cząstki (średnia głębokość oceanu wynosi 4 kilometry), pozostaje do tej pory tajemnicą.
Badacze rozwikłali zagadkę dzięki niezwykłemu wynalazkowi – a mikroskop obrotowy opracowany w laboratorium Prakasha, który stawia problem na głowie. Urządzenie porusza się wraz z poruszaniem się w nim organizmów, symulując podróż pionową na nieskończone odległości i dostosowując takie aspekty, jak temperatura, światło i ciśnienie, aby naśladować określone warunki oceaniczne.
Obserwowanie śniegu morskiego w warunkach naturalnych
W ciągu ostatnich pięciu lat Prakash i członkowie jego laboratorium przewozili na statkach badawczych swoje wykonane na zamówienie mikroskopy do wszystkich głównych oceanów świata – od Arktyki po Antarktydę. Podczas niedawnej wyprawy do Zatoki Maine zebrali śnieg morski, zawieszając w wodzie pułapki, a następnie szybko przeanalizowali proces tonięcia cząstek pod mikroskopem obrotowym. Ponieważ śnieg morski jest żywym ekosystemem, ważne jest wykonanie tych pomiarów na morzu. Mikroskop obrotowy umożliwił zespołowi po raz pierwszy obserwację śniegu morskiego w jego naturalnym środowisku z niezwykłą szczegółowością – zamiast z odległego laboratorium.
Wyniki zaskoczyły badaczy. Odkryli, że śnieg morski czasami tworzy struktury śluzu przypominające spadochron, które skutecznie podwajają czas przebywania organizmów w górnych 100 metrach oceanu. Ta długotrwała zawiesina zwiększa prawdopodobieństwo, że inne drobnoustroje rozłożą węgiel organiczny zawarty w cząsteczkach śniegu morskiego i przekształcą go z powrotem w łatwo dostępny węgiel organiczny dla innego planktonu, co opóźnia absorpcję dwutlenku węgla z atmosfery.
Piękno i złożoność w najmniejszych szczegółach
Naukowcy wskazują swoją pracę jako przykład badań opartych na obserwacjach, niezbędnych do zrozumienia, jak nawet najmniejsze procesy biologiczne i fizyczne zachodzą w systemach naturalnych.
„Teoria mówi, jak wygląda przepływ wokół małej cząstki, ale to, co widzieliśmy na łodzi, było zupełnie inne” – powiedział główny autor badania Rahul Chajwa, doktorant w Prakash Lab. „Jesteśmy na początku zrozumienia tej złożonej dynamiki”.
Ta praca przedstawia ważny fakt. Przez ostatnie 200 lat naukowcy badali życie, w tym plankton, w dwuwymiarowej płaszczyźnie, uwięzione pod mikroskopem w małych szkiełkach nakrywkowych. Z drugiej strony wykonywanie mikroskopii w wysokiej rozdzielczości jest bardzo trudne na pełnym morzu. Chajwa i Prakash podkreślają, jak ważne jest opuszczenie laboratorium i prowadzenie pomiarów naukowych jak najbliżej środowiska, w którym mają miejsce.
Implikacje i przyszłe kierunki
Wspieranie badań, w których priorytetem jest obserwacja w środowisku naturalnym, powinno być priorytetem dla organizacji publicznych i prywatnych finansujących naukę – argumentują naukowcy.
„Nie możemy nawet zadać podstawowego pytania o to, co robi życie, nie naśladując środowiska, w którym ewoluowało” – powiedział Prakash. „W biologii oderwanie go od środowiska pozbawiło nas jakiejkolwiek zdolności do zadawania właściwych pytań”.
Badanie to nie tylko ma znaczenie w bezpośrednim pomiarze sekwestracji węgla w morzu, ale także ukazuje piękno zjawisk codziennego życia. Podobnie jak cukier rozpuszczający się w kawie, opadanie śniegu morskiego w głąb oceanu jest złożonym procesem, na który wpływają czynniki, których nie zawsze dostrzegamy i doceniamy.
„Przyjmujemy za oczywiste pewne zjawiska, ale najprostszy zestaw pomysłów może mieć głębokie skutki” – powiedział Prakash. „Obserwacja tych szczegółów – takich jak śluzowe ogony morskiego śniegu – otwiera nowe drzwi do zrozumienia podstawowych zasad naszego świata”.
Naukowcy pracują nad udoskonaleniem swoich modeli, zintegrowaniem zbiorów danych z modelami w skali Ziemi i udostępnieniem otwartego zbioru danych z sześciu globalnych wypraw, które do tej pory przeprowadzili. Będzie to największy na świecie zbiór danych obejmujący bezpośrednie pomiary sedymentacji śniegu morskiego. Ich celem jest również zbadanie czynników wpływających na produkcję śluzu, takich jak czynniki stresogenne środowiskowe lub obecność niektórych gatunek bakterii.
Chociaż odkrycie badaczy stanowi znaczący wstrząs w sposobie myślenia naukowców o punktach krytycznych w sekwestracji w oceanach, Prakash i jego współpracownicy nie tracą nadziei. Podczas niedawnej wyprawy u wybrzeży Północnej Kalifornii odkryli procesy, które mogą potencjalnie przyspieszyć sekwestrację dwutlenku węgla.
„Za każdym razem, gdy obserwuję świat planktonu za pomocą naszych narzędzi, uczę się czegoś nowego” – powiedział Prakash.
Odniesienie: „Ukryte ogony komet śniegu morskiego utrudniają sekwestrację dwutlenku węgla w oceanach”, 10 października 2024 r., Science.
DOI: 10.1126/science.adl5767
Prakash jest profesorem nadzwyczajnym bioinżynierii w Szkołach Inżynierii i Medycyny Stanforda; profesor nadzwyczajny, dzięki uprzejmości, biologii w Stanford School of Humanities and Sciences; dzięki uprzejmości profesor nadzwyczajny ds. oceanów w Szkole Zrównoważonego Rozwoju Stanford Doerr; starszy pracownik Instytutu Środowiska Stanforda Woodsa; oraz członkini Bio-X, Instytutu Badań nad Zdrowiem Matki i Dziecka oraz Instytutu Neuronauki Wu Tsai.
Współautorami badania są także Eliott Flaum, doktorant biofizyki w Stanford School of Medicine w momencie przeprowadzania badań, a także badacze z Rutgers University i Woods Hole Oceanographic Institution.
Projekt ten został sfinansowany przez program Big Ideas for Oceans prowadzony przez Stanford Doerr School of Sustainability’s Oceans Department i Stanford Woods Institute for the Environment, program stypendialny Fundacji Schmidt Foundation, National Science Foundation, Human Frontier Science Program i Dalio Philanthropies .
