Недавно ученые сообщили, что более половины наших океанов становятся зеленее, что указывает на то, что в них может содержаться больше фитопланктона. Вдоль побережья Калифорнии сотни морских львов и дельфинов заболели или умерли из-за воздействия ядовитого цветения водорослей, вызванного вредным планктоном. А в Таиланде на берег выбросило тысячи мертвых рыб, задохнувшихся цветением планктона. Планктон является строительным материалом морских и пресноводных экосистем и играет ключевую роль в круговороте газов в атмосфере Земли. Но воды и воздух планеты быстро меняются из-за изменения климата, и это влияет на планктон. Некоторые из этих эффектов не являются хорошими. Вот взгляд на то, что такое планктон и его взаимодействие с климатом. «Планктон» происходит от греческого слова «бродяга». Планктон – это организмы, плавающие в океане. «Многие умеют плавать, но они не могут плавать достаточно сильно, чтобы противостоять течению. По сути, они находятся во власти течений», — сказал Эндрю Джул, профессор-исследователь Земной обсерватории Ламонт-Доэрти Колумбийского университета, специализирующийся на водной экологии.
«Планктон — это не определенная группа организмов; это множество разных видов организмов, имеющих общий образ жизни», — сказал он. Их можно найти в соленой или пресной воде, а их размер может варьироваться от микроскопических (большинство из них) до легко видимых ракообразных или медуз. Планктон делится на две группы: фитопланктон (растения) и зоопланктон (животные). Однако в мире планктона различие между растениями и животными сложное. Некоторые организмы получают питание за счет фотосинтеза; другие получают его, поедая другие организмы; некоторые организмы фотосинтезируют, но поедают и другие организмы; некоторые бактерии также относятся к планктону и являются разлагателями; и многие другие организмы находятся между ними или делают несколько вещей. По словам Юля, с точки зрения фотосинтезирующих организмов океанский планктон гораздо более разнообразен, чем наземный. Вероятно, существует 100 000 различных видов фитопланктона, каждый из которых может иметь разные характеристики, разные экологические функции и разное распространение. Зоопланктон тоже включает множество разных групп.
Фитопланктон, который, как и наземные растения, содержит хлорофилл, обитает у поверхности, поскольку ему необходимы солнечные лучи. Они используют солнечный свет и питательные вещества, такие как фосфаты, нитраты и кальций, для создания энергии и роста, поглощая углекислый газ и выделяя кислород. Фитопланктон выполняет около 50% всего фотосинтеза на планете. Подсчитано, что они производят около половины всего кислорода на Земле. Некоторыми примерами фитопланктона являются цианобактерии (также известные как сине-зеленые водоросли); диатомовые водоросли, клеточные стенки которых состоят из кремнезема, являются наиболее многочисленной и разнообразной группой; и динофлагелляты, у которых есть придатки, помогающие им двигаться. Все водоросли являются фитопланктоном, но не весь фитопланктон является водорослями. Зоопланктон включает таких животных, как криль, веслоногие ракообразные, мелкие ракообразные, похожие на креветок, и медузы. Обычно они питаются фитопланктоном и, в свою очередь, поедаются рыбами и другими более крупными организмами.
Планктон является основой всей морской пищевой цепи. От них в конечном итоге зависят здоровье и продуктивность всей морской жизни. Планктон также играет важную роль в углеродном цикле Земли. Когда фитопланктон умирает, часть углерода, полученного им в результате фотосинтеза, опускается в глубины океана, где он изолируется из атмосферы. Этот процесс, называемый биологическим насосом, делает океан крупнейшим поглотителем углерода на Земле. Океаны поглотили около 40% всего углекислого газа, который люди выбросили в атмосферу со времен промышленной революции. Во всем мире биологический насос ежегодно перекачивает 10 миллиардов тонн углерода из атмосферы в глубины океана. Фитопланктон полезен человеку и в других отношениях. Фитопланктон, более эффективный, чем наземные растения, в фотосинтезе и хранении углерода, может быть возобновляемым ресурсом. Богатый белком фитопланктон может стать альтернативой рыбной муке, используемой в аквакультуре, а также добавкой к кормам для животных на основе мяса и сои. В то время как выращивание сои и других культур требует земли, удобрений и других ресурсов, производство водорослей требует мало места и менее вредно для окружающей среды.
Ферменты планктона используются в фармацевтических продуктах и пищевых продуктах. Жиры планктона добавляются в косметику и пищевые добавки. Их также можно использовать в качестве удобрений вместо продуктов химического происхождения. Органические соединения, вырабатываемые планктоном, потенциально могут быть использованы для лечения болезни Альцгеймера, рака, диабета, СПИДа, остеопороза и других заболеваний. Был большой интерес к выращиванию фитопланктона для производства биодизельного топлива, но это обещание еще не выполнено. Они быстро растут, имеют высокое содержание жира и производят в 30 раз больше энергии, чем другие виды биотоплива. Однако недавние исследования показали, что производство и использование биодизельного топлива из фитопланктона на самом деле потребляет больше энергии, чем может произвести биотопливо, и может иметь больший углеродный след, чем дизельное топливо, работающее на ископаемом топливе. Для того чтобы из микроводорослей можно было производить жизнеспособное низкоуглеродное топливо, потребуются улучшенные штаммы микроводорослей и улучшенный дизайн инфраструктуры.
Из-за огромного разнообразия мира планктона маловероятно, что у множества различных видов организмов будет универсальная реакция на любой стресс, вызванный изменением климата. Некоторые климатические модели предполагают, что потепление изменит океанские течения, уменьшив количество питательных веществ, поднимающихся из глубин океана, что приведет к уменьшению количества фитопланктона. При меньшем количестве фитопланктона способность океанов улавливать углекислый газ, вероятно, будет ограничена, в результате чего в атмосфере останется больше фитопланктона, что усугубит изменение климата. Недавнее исследование показало, что потепление приводит к тому, что некоторые виды фитопланктона превращаются из поглотителей углерода в эмиттеры углерода, что является потенциальным и непредвиденным переломным моментом для климата. Некоторые фитопланктоны являются миксотрофами, то есть они могут получать энергию либо посредством фотосинтеза, либо поедая другие организмы. Когда они осуществляют фотосинтез, они извлекают углерод из атмосферы; но когда они поедают другие организмы, в конечном итоге они выделяют больше CO2, чем поглощают.
Изменение климата также может привести к увеличению частоты крупного цветения фитопланктона как в пресной воде, так и в океане. Такому цветению способствуют многочисленные факторы: больше питательных веществ в воде из стоков удобрений или сточных вод; подъем глубокой океанской воды к поверхности, который поднимает больше питательных веществ; более высокая температура воды; медленный поток воды или стоячая вода; и низкая мутность, которая позволяет солнцу светить сквозь воду, способствуя росту фитопланктона. По мере повышения температуры океана и изменения характера циркуляции цветение становится все более масштабным и частым по всему миру. Недавнее исследование, в ходе которого было картировано цветение морских прибрежных водорослей в период с 2003 по 2020 год, показало, что в глобальном масштабе за этот период их размер увеличился на 13% (на 1,5 миллиона квадратных миль), а частота — на 59%. Крупные цветения могут быть полезны для морской жизни и рыболовства, но вредное цветение водорослей может быть токсичным для живых существ или наносить другим вред окружающей среде.
«Цветение происходит постоянно», - сказал Юл. «По крайней мере, в более высоких широтах это часть типичного сезонного цикла — цветение происходит весной. А во многих других местах цветение происходит в результате проходящего шторма или чего-то, что смешивает питательные вещества. Или если у вас много дождя, питательные вещества могут быть вымыты из реки, что может вызвать цветение». Хотя Юль сказал, что вредных видов фитопланктона относительно немного, их цветение, похоже, растет. Он считает, что это, по крайней мере частично, связано с улучшением наблюдений и увеличением концентрации питательных веществ. Некоторые исследования зафиксировали увеличение вредоносного цветения водорослей с течением времени, что совпадает с изменениями климата, но неясно, является ли причиной этого изменение климата.
Тем не менее, изменение климата может создать условия, которые сделают цветение более вероятным. Засуха, сопровождаемая сильными осадками, увеличивает объем стока с сельскохозяйственных земель и газонов, доставляя больше питательных веществ в водоемы. Засухи могут уменьшить сток в водоемах, делая оставшуюся воду более теплой и застойной, что способствует цветению водорослей. А поскольку для роста водорослям необходим CO2, более высокие уровни CO2 в атмосфере и воде могут способствовать росту водорослей, особенно токсичных сине-зеленых водорослей. Повышение уровня моря также означает, что прибрежная вода становится более стабильной и мелкой, что может способствовать росту водорослей. Вредное цветение водорослей ежегодно обходится США в миллионы долларов в виде ущерба из-за потерь в рыболовстве и туризме, ущерба питьевой воде, затрат на уборку и посещений больниц.
Вредное цветение пресноводных водорослей, обнаруженное во всех 50 штатах США, часто вызывается цианобактериями, которые выделяют токсины. Они также могут возникать в соленой воде. В более теплой воде они растут быстрее, чем нетоксичные водоросли. Цианобактерии могут окрашивать воду в зеленый, синий, красный или коричневый цвет и часто образуют на поверхности воды неприятный запах. Некоторые цианобактерии производят токсины, которые могут вызвать неврологические повреждения. Другие выделяют токсины, которые вызывают повреждение печени, раздражение кожи или проблемы с дыханием. Люди и домашние животные могут подвергнуться воздействию токсинов, плавая или глотая загрязненную воду, вдыхая капли переносимых по воздуху токсинов или поедая зараженную рыбу или моллюсков, даже после их приготовления. Воздействие на здоровье может быть легким, тяжелым или даже смертельным, в зависимости от типа токсина и уровня воздействия.
Хоаким Гус, биологический океанограф из Ламонт-Доэрти, возглавляет исследование вредоносного цветения водорослей в искусственном пруду в Морнингсайд-парке на Манхэттене. Цель его команды — найти способы уменьшить такое цветение и разработать систему раннего предупреждения. Исследование может распространиться на другие городские парки. Динофлагелляты и диатомовые водоросли вызывают наиболее вредоносное цветение водорослей в соленой воде; их называют красными приливами, потому что они окрашивают воду в красный цвет. Токсины «красного прилива» могут вызывать заболевания как у людей, так и у животных. Вид динофлагеллят Karenia brevis вырабатывает нейротоксин, который может вызвать паралич и дыхательную недостаточность, а также нарушить воспроизводство морских обитателей. У людей он вызывает раздражение глаз и дыхательных путей, а при употреблении с испорченными морепродуктами — онемение, тошноту, рвоту и диарею. Этой весной красные приливы во Флориде убили тысячи рыб и других морских животных, в том числе ламантинов, находящихся под все большей угрозой. За последние 50 лет количество красных приливов во Флориде увеличилось в пятнадцать раз.
Другой тип вредоносного цветения вызван так называемыми золотыми водорослями, которые встречаются в основном в океане, но теперь все чаще и в пресной воде. Эти цветы могут убить большое количество рыбы, но не опасны для человека. В период с 2001 по 2010 год цветение золотых водорослей в Техасе уничтожило более 34 миллионов рыб, что обошлось штату более чем в 14 миллионов долларов. Цветам не обязательно выделять токсины, чтобы нанести вред. Когда цветы умирают и разлагаются, они создают «мертвые зоны». Это связано с тем, что в процессе разложения потребляется большая часть кислорода в воде, в результате чего другие организмы задыхаются и умирают. Агентство по охране окружающей среды США сообщает, что в водах США одновременно существует множество мертвых зон, самая крупная из которых находится в устье реки Миссисипи, которая летом может простираться на 6500 квадратных миль из-за чрезмерного вымывания питательных веществ. По оценкам отчета за 2020 год, эта мертвая зона ежегодно наносит ущерб рыболовству и морской среде обитания на 2,4 миллиарда долларов. В процессе разложения также могут образовываться вредные газы, такие как метан и сероводород. Густые цветы могут закрывать солнце другим растениям и животным, забивать жабры рыб и душить кораллы.
Изменение климата меняет условия окружающей среды во всем мире. «Когда вы меняете условия окружающей среды, у вас определенно будут изменения [в планктоне]», — сказал Юл. «Это изменение в основании пищевой сети отразится на всей пищевой сети». Разные виды планктона привыкли к разным температурам воды и условиям окружающей среды. По мере того, как океаны нагреваются и условия меняются, виды должны адаптироваться, мигрировать или вымереть. То, как планктон отреагирует на потепление вод и закисление океана (еще один результат изменения климата), повлияет на функционирование экосистемы и производство биомассы и, в конечном итоге, на продуктивность пищевой сети. Например, залив Мэн, расположенный у берегов Новой Англии и южной Канады, за последние 20 лет стал теплее и соленее; при этом фитопланктон стал на 65% менее продуктивным. В тропических океанах обитают самые разнообразные популяции планктона. Восемь миллионов лет назад, когда на Земле было так же тепло, как сегодня, тропический планктон жил в 2000 милях от экватора. Согласно недавнему исследованию, они вернулись к экватору, когда планета остыла. Исследование предполагает, что сегодня тепловодный планктон может снова отойти от экватора. Это может изменить экосистемы в более высоких широтах и потенциально нанести вред рыбам и прибрежным сообществам, которые от них зависят.
В Арктике исследователи обнаружили, что меняющиеся условия открывают возможности для преобладания новых видов планктона. Здесь таяние ледников увеличивает количество пресной воды в Северном Ледовитом океане; он лежит на поверхности соленых океанских вод и не дает питательным веществам подниматься туда, где планктон может получить к ним доступ. Одно исследование показало, что миксотрофы, которые не полагаются только на фотосинтез, хорошо себя чувствуют в относительно пресной воде с меньшим количеством питательных веществ. Ученые изучили цветение токсичных микстрофных водорослей и предположили, что, если это цветение начнет появляться чаще в Арктике, оно может иметь экологические и социально-экономические последствия. «Большинство организмов, которые мы видим в планктоне, существуют уже очень давно и пережили множество циклов изменения климата, которые не являются антропогенными», — сказал Юл. «Они справились с этим, поэтому, вероятно, не собираются уходить». Но поскольку наше общество построено на предположении, что все останется таким, каким оно было всегда, эти изменения приведут к потрясениям.
«Это не экзистенциально с точки зрения планктона», — сказал Юл. «Но это экзистенциально, возможно, для людей. Планктон не заботится о нас, но мы должны заботиться о них. Одна из вещей, которую я часто говорю людям, — это сделать вдох. Каждый раз, когда вы вдыхаете, одно из наших легких наполняется кислородом, поступающим из влажных тропических лесов, которые часто называют легкими планеты. Но другое легкое наполняется кислородом, который вырабатывается в океане фитопланктоном».
Как защититься от вредного цветения водорослей
- Обратитесь в местные медицинские учреждения, чтобы узнать, нет ли вредного цветения в близлежащих водоемах.
- Знайте предупреждающие знаки: ярко-зеленая, сине-зеленая или красная вода; слизистые растения или накипь на поверхности; вонючая вода.
- Избегайте контакта с водой, если вывешены предупреждающие знаки.
- Не позволяйте домашним животным заходить в воду.
- Не катайтесь на лодке, не ловите рыбу и не занимайтесь другими водными видами спорта, если вокруг растут вредные водоросли.
- В случае попадания немедленно промойте кожу чистой водой.
- Надев перчатки, смойте животных, контактировавших с загрязненной водой.
- Не мойте посуду и туристическое снаряжение в водоемах.
Если вы хотите помочь в мониторинге вредоносного цветения водорослей, станьте волонтером в Сети мониторинга фитопланктона, созданной Национальным управлением океанических и атмосферных исследований.
