A tengeri élet láthatatlan alapja veszélyben: hogyan fenyegeti a felmelegedés a Föld legfontosabb mikroorganizmusát?

Egy új Nature Microbiology tanulmány (.PDF) szerint a Prochlorococcus cianobaktérium, amely a Föld leggyakoribb fotoszintetizáló élőlénye, kritikus hőmérsékleti küszöb felett drámaian csökkent aktivitást mutat – ez pedig a teljes tengeri ökoszisztéma jövőjét veszélyeztetheti.

 

A térképen látható vonalak a kutatóhajók útvonalait jelölik, amelyekre a hőmérsékleti adatok vannak rávetítve. A sárga területeken a víz hőmérséklete 30 Celsius-fok körül mozog, míg a sarkoknál 0 Celsius-fok közelében van. A kutatók a SeaFlow folyamatos áramlásos citométerrel mérték fel a Prochlorococcus egyedszámát az útvonalak mentén Forrás: François Ribalet/University of Washington

A tengeri mikrobiális világ egyik legfontosabb szereplője, a Prochlorococcus cianobaktérium válsággal néz szembe a globális felmelegedés következtében. François Ribalet, a University of Washington kutatási docense alapvető kérdésekkel indított: “Boldogok-e ezek a mikroorganizmusok, amikor meleg van? Vagy nem?” Az általa vezetett nemzetközi csapat egy évtized alatt közel 100 kutatóúton 800 milliárd fitoplankton sejtet vizsgált meg 240 ezer kilométer megtétele során, és megdöbbentő következtetésekre jutott: ez az apró, de létfontosságú mikroorganizmus sokkal érzékenyebb a magas hőmérsékletre, mint azt korábban gondolták.

A Prochlorococcus mindössze 0,5-1 mikrométer nagyságú, mégis a világ óceánjainak 75 százalékában jelen van, és a trópusi, szubtrópusi vizekben a fitoplankton biomassza közel felét adja. Annak ellenére, hogy szabad szemmel láthatatlan, ez a mikroorganizmus az óceáni tápláléklánc alapja, fotoszintézise révén oxigént termel és szerves szenet állít elő, amelyből más élőlények táplálkoznak.

A kutatás során a tudósok a SeaFlow nevű folyamatos áramlásos citométerrel mérték a sejtosztódási rátákat különböző hőmérsékleti viszonyok között. Ez az innovatív eszköz lézersugarat lő át a vízen, hogy valós időben mérje a sejt típusát és méretét, anélkül hogy megzavarná a mikroorganizmusokat. Az eredmények szerint a Prochlorococcus sejtosztódása 18,9-30 Celsius-fokig (66-86 Fahrenheit) optimálisan működik, ám 30 Celsius-fok (86 Fahrenheit) felett meredeken esni kezd. Ribalet szerint “a kiégési hőmérsékletük sokkal alacsonyabb, mint gondoltuk” – 31 Celsius-foknál a sejtosztódási ráta már csak egyharmada a 18,9 Celsius-fokos értéknek.

Ez a hőmérsékleti érzékenység különösen aggasztó, mivel a klímamodell-előrejelzések szerint a trópusi és szubtrópusi óceánok felszíni hőmérséklete a század végére rendszeresen meghaladhatja a 30 Celsius-fokot, még mérsékelt felmelegedési forgatókönyvek esetén is. A kutatók globális óceáni ökoszisztéma-modelljükkel szimulálták a jövőbeli változásokat, és a proyekciók szerint 2100-ra a trópusi óceánokban 17-51 százalékkal csökkenhet a Prochlorococcus produktivitása a felmelegedés mértékétől függően.

A probléma gyökere a Prochlorococcus evolúciós múltjában keresendő. Milliók évei során ez a mikroorganizmus tökéletesítette a “többet kevesebből” stratégiát: levetette azokat a géneket, amelyekre nem volt szüksége, és csak a tápanyagszegény trópusi vizekben való túléléshez elengedhetetlen genetikai információkat tartotta meg. Ez a genomális karcsúsítás spektakulárisan bevált, lehetővé téve számára, hogy uralja a világ óceánjainak három negyedét. A trópusi tengeri vizek gyönyörű kék színe éppen annak köszönhető, hogy szinte semmi más nem él bennük – a Prochlorococcus kivételével, ahogy Ribalet fogalmaz.

A kutatás egyik legmeglepőbb felfedezése, hogy még a feltételezett “meleg-adaptált” törzsek jelenléte sem akadályozná meg teljes mértékben a negatív hatásokat. A tudósok egy hipotetikus, 30 Celsius-fokig ellenálló Prochlorococcus törzset szimuláltak, de még ez a feltételezett adaptáció esetén is jelentős csökkenést mutattak a projekciók. Ribalet azonban hangsúlyozza kutatásuk korlátait: “Nem tudtunk minden sejtet megvizsgálni, vagy minden víztestet mintázni. Ez a legegyszerűbb magyarázat jelenlegi adatainkra. Ha új bizonyítékok derülnének ki hőtoleráns törzsekről, szívesen fogadnánk ezt a felfedezést – reményt adna ezeknek a kritikus szervezeteknek.”

A Prochlorococcus hanyatlása nem izolált jelenség lenne. A kutatók szerint a Synechococcus, egy másik apró cianobaktérium részben kompenzálhatná a kiesést, hiszen ez az organizmus jobban tolerálja a magas hőmérsékletet. A modellszámítások szerint a Synechococcus produktivitása 11-34 százalékkal nőhet azokban a régiókban, ahol a Prochlorococcus visszaszorul. Ez azonban nem jelenti a teljes helyettesítést, mivel a két mikroorganizmus eltérő ökológiai szerepet tölt be.

A változás következményei messze túlmutatnak a mikroszkopikus világon. A tengeri tápláléklánc alapjának átalakulása kaszkád hatásokat indíthat el az egész ökoszisztémában. A Prochlorococcus csökkenése befolyásolhatja a vele szimbiózisban élő SAR11 baktériumokat, amelyek a világ leggyakoribb heterotróf tengeri baktériumai. Ez a kapcsolat megszakadása megzavarhatja a mikrobális közösség egészét és megváltoztathatja a szénkörforgást az óceánokban.

Továbbá a fitoplankton összetételének változása hatással lesz a legelő zooplanktonra, majd a tápláléklánc magasabb szintjein élő halakra és más tengeri élőlényekre is. A kisebb fitoplankton sejtek dominanciája azt is jelenti, hogy a szerves szén kevésbé hatékonyan jut el a mélyóceánba, ami megváltoztathatja a globális szén-dioxid ciklust.

A kutatás egyik tanulsága, hogy a laboratóriumi kísérletek nem mindig tükrözik a természetes körülményeket. A Prochlorococcus tenyésztett törzsein végzett korábbi vizsgálatok nem mutatták ki egyértelműen ezt a hőmérsékleti érzékenységet, partly azért, mert a legtöbb tenyésztett törzs hűvösebb régiókból származik. A természetes populációk tanulmányozása viszont világossá tette, hogy a valódi ökológiai válaszok sokkal összetettebbek.

A felfedezés rávilágít arra is, mennyire fontos a tengeri mikroorganizmusok védelme a klímaváltozás elleni küzdelemben. Míg a szárazföldi ökoszisztémák változásai gyakran láthatók, az óceáni mikrobális világ átalakulása rejtett, de sokkal nagyobb hatással bír a globális klímaszabályozásra és az ember életét befolyásoló ökoszisztéma-szolgáltatásokra.

A kutatók hangsúlyozzák, hogy ez a felfedezés újragondolásra késztet a tengeri ökoszisztémák klímaváltozásra adott válaszainak modellezésében. A hagyományos megközelítések gyakran feltételezik, hogy a melegebb óceánok növelik a fitoplankton produktivitását, de a Prochlorococcus esetében ez egyértelműen nem igaz. Ez azt jelenti, hogy a klímamodellek pontosítására van szükség, figyelembe véve ezeket a termális korlátokat.

A helyzet nem teljesen reménytelen. A karbonkompenzációs programok és a globális kibocsátás-csökkentési erőfeszítések lassíthatják a felmelegedés ütemét, ami időt adhat a tengeri ökoszisztémáknak az alkalmazkodásra. A megújuló energia fejlesztése, az energiahatékonyság javítása és a szén-dioxid-megkötési technológiák mind hozzájárulhatnak ahhoz, hogy az óceánok hőmérséklete ne haladja meg azokat a kritikus küszöbértékeket, amelyek a Prochlorococcus és más kulcsfontosságú mikroorganizmusok számára végzetesek lennének.

A tanulmány egyértelműen mutatja, hogy a klímaváltozás hatásai sokkal finomabbak és összetetebbek, mint azt korábban gondoltuk. A Prochlorococcus példája rávilágít arra, hogy a látszólag jelentéktelen mikroorganizmusok is döntő szerepet játszanak a bolygó klímastabilitásában. Ha megvédjük őket, a teljes tengeri ökoszisztémát és végső soron saját jövőnket is megóvjuk.

Rampasek László A.