Beztlenowe głębiny

Tlen trafia do oceanów dwiema drogami – albo pochodzi bezpośrednio z atmosfery, albo jest wytwarzany w procesie fotosyntezy przez fitoplankton. Te mikroskopijne organizmy wykorzystują podczas niej dwutlenek węgla, składniki mineralne (azotany, fosforany, krzemiany…) oraz energię słoneczną. Jest jednak druga strona medalu. Martwe komórki fitoplanktonu powoli opadają na dno i są rozkładane przez bakterie, które potrzebują do tego procesu tlenu. Maksimum tej aktywności, zwanej mineralizacją, przypada na 200–1500 m pod poziomem morza.

Naukowcy sprawdzają podczas misji oceanograficznych, jakie są stężenia tlenu w wodach na różnych głębokościach. W ten sposób odnaleziono strefę gwałtownej zmiany warunków tlenowych, tzw. oksyklinę (patrz schemat). Powyżej niej stężenie tlenu jest wysokie (w wyniku mieszania się wód dociera tu tlen z atmosfery), poniżej – niskie (w efekcie m.in. procesów mineralizacji). W niektórych regionach (np. tropikalne obszary przybrzeżne, Morze Bałtyckie, Morze Arabskie) oksyklina jest zdecydowanie wyraźniej zaznaczona, a stężenie tlenu w wodach podpowierzchniowych tak spada, że tworzą się tzw. martwe strefy. Aby taka strefa powstała, potrzeba szeregu nakładających się na siebie czynników.

Martwe strefy

Tropikalne regiony przybrzeżne zawierają bogate w składniki mineralne wody powierzchniowe. Sprzyja to rozwojowi fitoplanktonu, co często prowadzi do ogromnych zakwitów, które można obserwować chociażby z satelity. Fitoplankton znajduje się u podstawy piramidy żywieniowej. Korzysta z niego głównie zooplankton, którym z kolei żywią się ryby. Gdy wszystkie te organizmy obumierają, opadają w głąb oceanu, gdzie rozkładają je bakterie zużywające do tego procesu ogromne ilości tlenu. Na domiar złego wody te są odcięte od reszty oceanu na skutek specyficznej cyrkulacji prądów morskich. Mieszanie z wodami powierzchniowymi również jest znikome ze względu na dużą różnicę głębokości. Dlatego dopływ świeżej, bogatej w tlen wody zostaje bardzo ograniczony, a problem z czasem się pogłębia. Co więcej, ostatnie badania sugerują, że nie tylko drastycznie maleje poziom tlenu w martwych strefach, ale i one same się poszerzają zarówno wertykalnie, jak i horyzontalnie.

W przypadku zamkniętych akwenów, np. Morza Bałtyckiego, często dochodzi do sztucznego użyźniania wód wskutek działalności człowieka. Dostają się wtedy do nich nawozy i ścieki zawierające azot i fosfor. Jest to istna uczta dla fitoplanktonu, która prowadzi jednak na dłuższą metę do katastrofalnych skutków. Oliwy do ognia dolewa ocieplający się klimat, bo z tego powodu też z oceanów ucieka coraz więcej tlenu. Im cieplejsza staje się woda, tym mniej gazu może się w niej rozpuścić (to dlatego napój gazowany pozostawiony na słońcu tak szybko traci bąbelki). Jak pokazują niektóre badania, w ciągu ostatnich 50 lat poziom tlenu w przybrzeżnych regionach tropikalnych zmalał aż o 40%! W innych rejonach spadek ten był bardziej subtelny, ale szacuje się, że średnio nasze oceany straciły ok. 2% tego gazu. Naukowców niepokoi także to, że poziom tlenu jest coraz niższy również na obszarach oddalonych znacznie od brzegów oraz wokół biegunów. Tym bardziej że miejsc tych do tej pory nie uznawano za wrażliwe na zmiany klimatyczne.

Oceany się duszą

Zmiany te odczuwają najbardziej zwierzęta morskie, które reagują nawet na niewielki spadek tlenu w wodzie. Szczególnie wrażliwy jest zooplankton, czyli pierwotniaki, wrotki, skorupiaki, osłonice i larwy owadów. Nie zapominajmy jednak, że organizmy te są głównym źródłem pożywienia dla ryb, wielorybów czy kalmarów. Od tego, jak zooplankton poradzi sobie z niedoborem tlenu, zależy być albo nie być całego ekosystemu! Ubytek tego życiodajnego gazu jest zatem obecnie najbardziej palącym problemem, przed którym stoją mieszkańcy głębin. Wszyscy przecież muszą oddychać.

Jak to w naturze bywa, niektóre organizmy lepiej znoszą zmiany, inne gorzej. I tak np. badania z 2016 r., opublikowane w „Nature Communications”, wykazały, że krewetki Fenneropenaeus chinensis wolniej poruszają ogonami w wodach o niskiej zawartości tlenu, a więc są mniej zwinne i bardziej podatne na atak. Ponadto samce niektórych gatunków ryb zaczęły produkować mniej plemników, a te wytworzone poruszały się wolniej. Z kolei eksperyment opisany w ub.r. w „Journal of Experimental Biology” wykazał, że niedobór tlenu powoduje tymczasową ślepotę u krabów, kałamarnic i ośmiornic, co jest jak najbardziej zrozumiałe – takich samych problemów doświadczają przecież ludzie przebywający na dużych wysokościach (gdzie ilość tlenu jest znacznie mniejsza).

Niektóre organizmy wykazały zdolności adaptacyjne wobec ubytku tlenu w wodach. Obunogi (skorupiaki z gromady pancerzowców) migrują nieustannie między regionami o niskiej jego zawartości (aby uciec przed drapieżnikami i żerować) a dobrze natlenionymi (aby uzupełnić niedobór). Z kolei krewetki z gatunku Gnathophausia ingens mają dobrze rozwinięte skrzela o dużej powierzchni oraz wydajny układ krążenia o pokaźnej pojemności i wysokim stężeniu hemocyjaniny, która łatwo wiąże tlen. Adaptacje te umożliwiają zwierzęciu wchłanianie do 90% tego gazu z pobieranej wody.

Nieustannie powiększające się martwe strefy sprawiają, że niektóre gatunki ryb muszą na stałe opuścić dotychczasowe siedliska. Zdarza się wtedy, że trafiają w rejony uboższe w pożywienie lub takie, w których rozmnażanie jest utrudnione (zbyt niska lub zbyt wysoka temperatura, nieodpowiednie zasolenie itd.). I tak np. odkryto, że w wodach północno-wschodniego Atlantyku połów tuńczyka zmniejszył się o 15% w ciągu ostatnich 50 lat! Wyniki tych badań zaskoczyły rybaków. Ryby tłoczą się w lepiej natlenionych strefach (nad oksykliną), co sprawia, że są łatwiejsze do znalezienia. Daje to fałszywe wrażenie obfitości, które nie ma odzwierciedlenia w rzeczywistości.

Niebezpieczne gazy

Martwe strefy są zamieszkiwane przez liczne bakterie, które świetnie sobie radzą w tych warunkach. Niestety, produkują one monotlenek diazotu (N₂O), metan (CH₄) czy siarkowodór (H₂S), które ostatecznie trafiają do atmosfery, dokładając swoje trzy grosze do powstawania efektu cieplarnianego. Na dodatek ucieczka takiego pierwiastka jak azot (w procesie denitryfikacji) oznacza, że organizmy parające się fotosyntezą mają coraz mniej cennych składników mineralnych do swojej dyspozycji, co w konsekwencji może odbić się negatywnie na całych ekosystemach.

Na razie stężenie siarkowodoru w atmosferze nie budzi niepokoju, ale jeżeli oceany nadal będą produkować taką jego ilość, to związek ten już niedługo trafi na szczyt listy najpowszechniej występujących gazów powodujących efekt cieplarniany. Nie zapominajmy także, że H₂S jest wysoce toksyczny dla zwierząt i ludzi i już został uznany za przyczynę sporadycznego, ale masowego wymierania ryb. Jeżeli jego stężenie w oceanach będzie rosnąć, negatywne konsekwencje dla różnorodności biologicznej, zasobów rybnych i jakości życia wzdłuż zaludnionych regionów przybrzeżnych mogą być bardzo poważne. Jak widać, ulatnianie się z oceanów tlenu dotyka nie tylko organizmy morskie, ale także nas samych. Czy możemy odwrócić ten proces lub chociaż trochę go zahamować?

Koło ratunkowe

Aby poprawić sytuację, należałoby zastosować drastyczne metody. Skoro ścieki i nawozy spływające wraz z wodami gruntowymi do mórz i oceanów są takim problemem, trzeba by ograniczyć ich ilość. W przypadku Morza Bałtyckiego podjęto już odpowiednie kroki, choć obostrzenia w tej kwestii spotykają się rzecz jasna ze sprzeciwem ze strony polskich rolników, odnotowujących niższe plony niż szwedzcy czy duńscy producenci. Ale choć do Bałtyku wpływa już o 30–40% mniej azotanów i fosforanów niż 40 lat temu, to jakość jego wód ciągle nie jest zadowalająca. Podobne ograniczenia nie przyniosły również spodziewanych efektów w Zatoce Meksykańskiej. Nie oznacza to jednak, że nie należy podejmować tego typu przedsięwzięć. Trzeba tylko pamiętać, że nawet jeśli zaprzestalibyśmy używania jakichkolwiek nawozów, to nasze gleby są nimi przesiąknięte, a szkodliwe substancje będą się przedostawać do wód morskich przez następne kilkadziesiąt lat!

Kolejnym dość oczywistym rozwiązaniem jest reintrodukcja i odbudowa gatunków kluczowych w zachowaniu równowagi ekosystemu (ryby, małże itp.) oraz ograniczenie rybołówstwa. To ostatnie nie podoba się oczywiście wszystkim, którzy żyją z połowów. Tuńczyki pochodzące z północno-wschodniego rejonu Atlantyku przynoszą rocznie 42 mld dol. zysku. I nawet jeśli w niektórych krajach wprowadzono w tym względzie odpowiednie restrykcje, to spowodowało to skutek odmienny od zamierzonego, gdyż wzrosła liczba nielegalnych połowów. Zaślepieni żądzą zysku przedsiębiorcy nie zdają sobie sprawy, że jeśli nie pozwolą się odbudować już i tak mocno osłabionej populacji ryb, to za kilkanaście lat ich sieci i portfele będą świecić pustkami.

***

Ocean Canfielda

Ucieczka z oceanów tlenu sprzyja rozwojowi organizmów produkujących siarkowodór. Może to prowadzić do powstania tzw. oceanów Canfielda, których wody będą całkowicie przesycone tym gazem. Nazwa wzięła się od nazwiska naukowca Donalda Canfielda, który przed 20 laty wykazał, że do podobnego zjawiska doszło 2 mld lat temu. Wszystko zaczęło się od tego, że wzrost ilości tlenu w powietrzu przyspieszył proces wietrzenia skał. Zwiększyło to dopływ siarczanów do oceanów, którymi żywiły się mikroby żyjące na ich dnie. Produktem metabolizmu tych bakterii był właśnie siarkowodór. Siarkowe środowisko trwało przez ponad miliard lat, aż do drugiego zwiększenia ilości tlenu w atmosferze. Szacuje się, że oceany Canfielda zahamowały rozwój życia na miliony lat.

***

Bohater z morza

Fotosynteza zachodzi w oceanach Ziemi od 3,5 mld lat. Wśród przeprowadzających ten proces organizmów są cyjanobakterie z rodzaju Prochlorococcus. Występują one tak obficie, że odpowiadają za wytwarzanie 20% tlenu występującego w atmosferze.

***

Wielkie mieszadło

Ponieważ restrykcje dotyczące ilości wprowadzonych do Morza Bałtyckiego zanieczyszczeń nie skutkują poprawą jakości jego wód, naukowcy wpadli na dość nietypowy pomysł. Według badaczy z Göteborgs Universitet należy… wymieszać wodę. Potrzeba jednak do tego setek pomp umieszczonych w różnych obszarach morza i zasilanych energią z elektrowni wiatrowych. Urządzenia te miałyby transportować pełne tlenu wody z głębokości 50 m w głąb zbiornika, gdzie znajdują się martwe strefy. Testy przeprowadzone na małych beztlenowych akwenach wykazały, że metoda działa, ale świeża woda musiałaby być bezustannie pompowana. W przeciwnym razie sytuacja wraca do stanu wyjściowego. Nie bez znaczenia są również koszty samego przedsięwzięcia, opiewające na 200 mln euro. Dlatego na razie pomysł zarzucono.

***

Bałtyk – morze problemów

Ponieważ nasze morze jest zbiornikiem płytkim i zamkniętym, to zmiany zachodzące w nim wskutek działalności człowieka są bardziej widoczne niż w oceanach. I tak np. o ile średnia temperatura wody w oceanach na świecie podniosła się w ciągu ostatnich 30 lat o 0,5˚C, to w Bałtyku wzrosła aż o 1,5˚C. Zakwaszenie morza jest natomiast na poziomie, jaki oceany mają osiągnąć dopiero w XXII w. Do Bałtyku trafia także mnóstwo związków zawierających azot i fosfor (nawozy i ścieki), co prowadzi do zakwitów sinic. Kiedy organizmy te obumierają, są rozkładane przez inne, zużywające w tym procesie tlen. Pojawiają się zatem podpowierzchniowe beztlenowe strefy, obejmujące obecnie obszar dwukrotnie większy od Danii. Odbija się to m.in. na populacji ryb, która i tak jest dramatycznie niska z powodu przełowienia.