Что такое закисление океана?

Закисление океана – это процесс, при котором увеличение растворенного углерода делает морскую воду более кислой. Хотя закисление океана происходит естественным образом в геологической временной шкале, в настоящее время этот процесс происходит более быстрыми темпами, чем это когда-либо происходило на планете.

Ожидается, что беспрецедентные темпы закисления океана будут иметь разрушительные последствия для морской флоры и фауны, особенно для моллюсков и коралловых рифов. Текущие усилия по борьбе с закислением океана в значительной степени сосредоточены на замедлении его темпов и укреплении экосистем, способных в полной мере смягчить последствия этого процесса.

Каковы причины закисления океана?

Сегодня основной причиной закисления океана является продолжающийся выброс углекислого газа в нашу атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива. Дополнительными виновниками являются загрязнение прибрежных районов и глубоководные утечки метана. С начала промышленной революции около 200 лет назад, когда деятельность человека привела к выбросу большого количества углекислого газа в атмосферу Земли, поверхность океана стала примерно на 30% более кислой (1, 2, 3).

Процесс закисления океана начинается с растворенного диоксида углерода. Как и мы, многие подводные животные подвергаются клеточному дыханию для выработки энергии, выделяя в качестве побочного продукта углекислый газ. Тем не менее большая часть углекислого газа, растворяющегося в океанах сегодня, происходит из-за избытка углекислого газа в атмосфере над землей в результате сжигания ископаемого топлива.

После растворения в морской воде углекислый газ претерпевает ряд химических изменений. Растворенный диоксид углерода сначала соединяется с водой с образованием угольной кислоты. Затем угольная кислота может распадаться на отдельные ионы водорода. Эти избыточные ионы водорода присоединяются к карбонат-ионам с образованием бикарбоната. В конце концов, карбонат-ионов остается недостаточно, чтобы присоединиться к каждому иону водорода, который попадает в морскую воду через растворенный диоксид углерода. Вместо этого автономные ионы водорода накапливаются и понижают pH или увеличивают подкисление окружающей морской воды.

В условиях отсутствия подкисления большая часть карбонатных ионов океана может свободно связываться с другими ионами океана, например, ионами кальция с образованием карбоната кальция. У животных, которым карбонат необходим для формирования структур карбоната кальция, таких как коралловые рифы и животные, строящие раковины, способ, которым подкисление океана крадет карбонат-ионы для производства бикарбоната, уменьшает запас карбоната, доступного для основной инфраструктуры.

Влияние закисления океана

Ниже мы анализируем конкретные морские организмы и то, как на эти виды влияет закисление океана.

Моллюски

Океанические создающие раковины животные наиболее уязвимы к воздействию закисления океана. Многие океанические существа, такие как улитки, съедобные двустворчатые моллюски, устрицы и другие моллюски, способны извлекать растворенный карбонат кальция из морской воды с образованием защитных раковин посредством процесса, известного как кальцификация. По мере того, как антропогенный углекислый газ продолжает растворяться в океане, количество карбоната кальция, доступного для этих строящих раковины животных, сокращается. Когда количество растворенного карбоната кальция становится особенно низким, ситуация для этих зависимых от панциря существ значительно ухудшается; их оболочки начинают растворяться. Проще говоря, океан становится настолько лишенным карбоната кальция, что вынужден забирать его обратно (4).

Одним из наиболее хорошо изученных морских кальцификаторов является крылоногий плавательный родственник улитки. В некоторых частях океана популяция крылоногих может достигать более 1000 особей на одном квадратном метре. Эти животные живут по всему океану, где они играют важную роль в экосистеме в качестве источника пищи для более крупных животных. Однако у крылоногих есть защитные раковины, которым угрожает растворяющее действие закисления океана. Арагонит, минерал, используемый крылоногими для формирования их панцирей, примерно на 50% более растворим, чем другие формы карбоната кальция, что делает крылоногих особенно восприимчивыми к закислению океана (5).

У некоторых моллюсков есть средства, чтобы удерживать свои раковины перед лицом растворяющего воздействия закисления океана. Например, было выявлено, что похожие на моллюсков животные, известные как плеченогие, компенсируют растворяющий эффект океана, создавая более толстые раковины. Другие создающие панцири животные, такие как обыкновенная литорина и съедобная мидия, могут регулировать тип карбоната кальция, который они используют для формирования своих панцирей, чтобы предпочитать менее растворимую и более жесткую форму. Ожидается, что в случае многих морских животных, которые не могут компенсировать это, закисление океана приведет к более тонким и слабым раковинам (6, 7).

К сожалению, даже эти стратегии компенсации дорого обходятся животным, у которых они есть. Чтобы бороться с растворяющим эффектом океана, хватаясь за ограниченный запас строительных блоков карбоната кальция, эти животные должны тратить больше энергии на строительство раковин, чтобы выжить. Чем больше энергии используется для защиты, тем меньше остается у этих животных для выполнения других важных задач, таких как питание и размножение. Хотя остается много неопределенности в отношении окончательного воздействия закисления океана на океанических моллюсков, очевидно, что последствия будут разрушительными.

Крабы

Хотя крабы также используют карбонат кальция для создания своих панцирей, воздействие закисления океана на жабры крабов может быть самым важным для этого животного. Жабры краба выполняют множество функций для животного, включая выведение углекислого газа, образующегося при дыхании. По мере того как окружающая морская вода наполняется избытком углекислого газа из атмосферы, крабам становится все труднее добавлять углекислый газ в смесь. Вместо этого крабы накапливают углекислый газ в своей гемолимфе, версии крови крабов, которая вместо этого меняет кислотность внутри краба. Ожидается, что крабы, лучше всего приспособленные к регулированию химического состава своего тела, будут лучше себя чувствовать, поскольку океаны становятся более кислыми (8, 9).

Коралловые рифы

Каменные кораллы, как и те, которые, как известно, создают великолепные рифы, также используют карбонат кальция для построения своего скелета. Когда коралл обесцвечивается, в отсутствие ярких цветов коралла проявляется совершенно белый скелет животного из карбоната кальция. Трехмерные каменные конструкции, построенные кораллами, создают среду обитания для многих морских животных. Хотя коралловые рифы покрывают менее 0,1% дна океана, по крайней мере 25% всех известных морских видов используют коралловые рифы в качестве среды обитания. Коралловые рифы также являются жизненно важным источником пищи для морских животных и людей. По оценкам, более 1 миллиарда человек зависят от коралловых рифов в качестве пищи (10).

Учитывая важность коралловых рифов, влияние закисления океана на эти уникальные экосистемы особенно актуально. Пока перспективы не очень хорошие. Закисление океана уже замедляет рост кораллов. Считается, что в сочетании с потеплением морской воды закисление океана усугубляет разрушительные последствия обесцвечивания кораллов, вызывая гибель большего числа кораллов от этих явлений. К счастью, кораллы могут адаптироваться к закислению океана. Например, некоторые симбионты кораллов – крошечные кусочки водорослей, обитающие в кораллах – могут быть более устойчивыми к воздействию закисления океана на кораллы. Что касается самого коралла, ученые обнаружили, что некоторые виды кораллов могут адаптироваться к быстро меняющейся среде обитания. Тем не менее по мере продолжения потепления и закисления океанов разнообразие и численность кораллов, вероятно, резко уменьшится (11, 12).

Рыбы

Рыбы могут не производить раковины, но у них есть специальные ушные кости, для образования которых требуется карбонат кальция. Подобно годичным кольцам, ушные кости рыб, или отолиты, накапливают полосы карбоната кальция, которые ученые могут использовать для определения возраста рыбы. Помимо того, что отолиты используются учеными, они также играют важную роль в способности рыб обнаруживать звуки и правильно ориентировать свое тело (13).

Как и в случае с раковинами, ожидается, что образование отолитов будет нарушено закислением океанов. В экспериментах, в которых моделировались будущие условия закисления океана, было выявлено, что из-за воздействия закисления океана на отолиты у рыб были обнаружены нарушения слуха, способности к обучению, измененная сенсорная функция. В условиях закисления океана рыбы также проявляют повышенную смелость и разные реакции против хищников по сравнению с их поведением в отсутствие закисления океана. Ученые опасаются, что изменения в поведении рыб, связанные с закислением океана, являются признаком проблем для целых сообществ морских обитателей, что имеет серьезные последствия (14, 15, 16, 17).

Морские водоросли

В отличие от животных, водоросли могут принести пользу в закисляющемся океане. Как и растения, водоросли фотосинтезируют с образованием сахара. Растворенный углекислый газ, движущая сила закисления океана, поглощается водорослями во время фотосинтеза. По этой причине обилие растворенного углекислого газа может быть хорошей новостью для морских водорослей, за исключением морских водорослей, которые явно используют карбонат кальция в качестве структурной поддержки. Тем не менее даже некальцифицирующиеся водоросли снизили скорость роста в смоделированных будущих условиях закисления океана (18, 19).

Некоторые исследования даже предполагают, что районы, изобилующие водорослями, такие как леса ламинарии, могут помочь уменьшить последствия закисления океана в их непосредственном окружении из-за фотосинтетического удаления углекислого газа морскими водорослями. Тем не менее, когда закисление океана сочетается с другими явлениями, такими как загрязнение и недостаток кислорода, потенциальные преимущества закисления океана для морских водорослей могут быть потеряны или даже обращены вспять (20, 21).

Для морских водорослей, которые используют карбонат кальция для создания защитных структур, эффекты закисления океана более точно соответствуют эффектам кальцификации животных. Кокколитофориды, всемирно распространенный вид микроскопических водорослей, используют карбонат кальция для образования защитных пластин, известных как кокколиты. Во время сезонного цветения кокколитофориды могут достигать высокой плотности. Эти нетоксичные соцветия быстро уничтожаются вирусами, которые используют одноклеточные водоросли для генерации большего количества вирусов. Позади остаются пластинки карбоната кальция кокколитофорид, которые часто опускаются на дно океана. Через жизнь и смерть кокколитофорид, углерод, содержащийся в пластинах водорослей, переносится в глубокий океан, где он удаляется из углеродного цикла или изолируется. Закисление океана может нанести серьезный ущерб кокколитофоридам, разрушив ключевой компонент океанической пищи и естественный путь связывания углерода на морском дне (22).

Как мы можем ограничить закисление океана?

Устраняя причину сегодняшнего быстрого закисления океана и поддерживая биологические убежища, которые ослабляют последствия закисления океана, можно избежать потенциально ужасных последствий этого процесса.

Выбросы углерода

Со временем примерно 30% углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу Земли, растворяется в океане. Сегодняшние океаны постепенно поглощают ту часть двуокиси углерода, которая уже содержится в атмосфере, хотя скорость поглощения океаном увеличивается. Из-за этой задержки определенное закисление океана, вероятно, неизбежно, даже если люди немедленно прекратят все выбросы, если только углекислый газ не будет удален из атмосферы напрямую. Тем не менее сокращение или даже обращение вспять выбросов углекислого газа остается лучшим способом ограничить закисление океана (23, 24, 25).

Водоросли

Леса водорослей могут локально уменьшить воздействие закисления океана посредством фотосинтеза. Однако более 30% лесов водорослей в мире пришли в упадок за последние 50 лет. На западном побережье Северной Америки спад в основном был вызван дисбалансом в динамике хищник-жертва, который позволил морским ежам, питающимся водорослями, взять верх. Сегодня многие инициаторы пытаются вернуть леса водорослей, чтобы создать больше территорий, защищенных от полного эффекта закисления океана (26, 27).

Выходы метана

Образовавшийся естественным образом, выходящий метан может усугубить закисление океана. В нынешних условиях метан, хранящийся в глубинах океана, остается под достаточно высоким давлением и низкими температурами, что дает определенную безопасность. Однако по мере повышения температуры океана глубоководные запасы метана находятся под угрозой высвобождения. Если морские микробы получат доступ к этому метану, они превратят его в углекислый газ, усиливая эффект закисления океана.

Учитывая потенциал метана в усилении закисления океана, шаги по сокращению выбросов других парниковых газов, вызывающих потепление планеты, помимо углекислого газа, ограничат воздействие закисления океана в будущем. Точно так же солнечная радиация подвергает планету и ее океаны риску потепления, поэтому методы уменьшения солнечной радиации могут ограничить последствия закисления океана.

Загрязнение

В прибрежной среде загрязнение усиливает воздействие закисления океана на коралловые рифы. Загрязнение добавляет питательные вещества к обычно бедной питательными веществами рифовой среде, что дает водорослям конкурентное преимущество перед кораллами. Загрязнение также нарушает микробиом коралла, что делает его более восприимчивым к болезням. Хотя повышение температуры и закисление океана наносят кораллам больше вреда, чем загрязнение, устранение других факторов стресса для коралловых рифов, может повысить вероятность адаптации этих экосистем для выживания. Другие загрязнители океана, такие как нефтепродукты и тяжелые металлы, вызывают у животных учащение дыхания – показатель использования энергии. Учитывая, что кальцифицирующие организмы должны прикладывать дополнительные усилия, чтобы строить свои панцири быстрее, чем они растворяются, энергия, необходимая для одновременной борьбы с загрязнением океана, еще больше усложняет задачу строящим панцири животным (28, 29).

Перелов

В частности, для коралловых рифов чрезмерный вылов рыбы является еще одним фактором, препятствующим их существованию. Когда слишком много травоядных рыб удаляется из экосистем коралловых рифов, удушающие кораллы водоросли могут легче захватить риф, убивая кораллы. Как и в случае с загрязнением, сокращение или устранение чрезмерного вылова рыбы повышает устойчивость коралловых рифов к воздействию закисления океана. Помимо коралловых рифов, к закислению океана при одновременном воздействии чрезмерного вылова рыбы более восприимчивы другие прибрежные экосистемы. В каменистой приливной среде чрезмерный вылов рыбы может привести к избытку морских ежей, которые создают бесплодные районы, где когда-то были кальцифицирующие водоросли. Чрезмерный вылов рыбы также приводит к истощению некальцифицирующихся видов морских водорослей, таких как леса ламинарии, разрушая места, где эффекты закисления океана ослабляются фотосинтетическим поглощением растворенного углерода (30).

Источник