گرمایش اقیانوس میکروبی را که یک‌سوم اکسیژن زمین را تولید می‌کند، تهدید می‌کند؛ هشدار یک مطالعه

هر سومین نفسی که می‌کشید نه توسط یک جنگل زمینی، بلکه توسط یک موتور میکروسکوپی که به طور نامرئی در لایه‌های نورگیر اقیانوس جهانی کار می‌کند، تولید می‌شود. این موتور، پروکلروکوکوس (Prochlorococcus) است، یک سیانوباکتری دریایی که آنقدر کوچک است که هزاران عدد از آن در عرض یک تار موی انسان جا می‌گیرد. با وجود اندازه میکروسکوپی‌اش، این ارگانیسم پایه و اساس مطلق شبکه غذایی دریایی گرمسیری را تشکیل می‌دهد و تقریباً یک‌سوم اکسیژن جو زمین را تولید می‌کند. اگر این ارگانیسم واحد دچار مشکل شود، ترکیب شیمیایی اقیانوس و پایداری عرضه غذای جهانی به طور اساسی تغییر می‌کند و بقای آن را به یک مسئله امنیت سیاره‌ای تبدیل می‌کند.[3][4]

یک مطالعه مهم که در مجله «نیچر میکروبیولوژی» (Nature Microbiology) منتشر شده است، نشان می‌دهد که این میکروب حیاتی بسیار آسیب‌پذیرتر از آن چیزی است که دانشمندان قبلاً تصور می‌کردند. سال‌ها، زیست‌شناسان دریایی فرض می‌کردند که چون پروکلروکوکوس به طور طبیعی در آب‌های گرم و کم‌مغذی گرمسیری رشد می‌کند، به راحتی می‌تواند آب و هوای گرم‌تر را تحمل کند. شواهد جدید دقیقاً عکس این را ثابت می‌کند: این میکروب به طرز خطرناکی نزدیک به حد حرارتی مطلق خود عمل می‌کند. محققان اکنون هشدار می‌دهند که افزایش دمای پیش‌بینی‌شده در دهه‌های آینده می‌تواند تا پایان قرن باعث فروپاشی گسترده جمعیت شود و ترکیب بیولوژیکی اقیانوس‌های جهان را به طور اساسی تغییر دهد.[1][2]

این یافته‌ها بر اساس حجم بی‌سابقه‌ای از داده‌های واقعی و در محل (in-situ) استوار است. محققان دانشگاه واشنگتن و مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، به جای تکیه صرف بر کشت‌های آزمایشگاهی – که اغلب نمی‌توانند پویایی‌های پیچیده اقیانوس باز را به تصویر بکشند – یک دهه اندازه‌گیری‌های مستمر کشتی‌محور را تجزیه و تحلیل کردند. تیم علمی با استفاده از فلوسایتومتری پیشرفته در ۹۰ سفر دریایی جداگانه، اندازه، فلورسانس و نرخ تقسیم حدود ۸۰۰ میلیارد سلول فیتوپلانکتون منفرد را در ۲۰۰ هزار کیلومتر از اقیانوس آرام ردیابی کرد و یکی از جامع‌ترین مجموعه‌داده‌های حیات میکروبی دریایی را که تاکنون جمع‌آوری شده است، ایجاد کرد.[1][2]

این داده‌ها یک مرز فیزیولوژیکی سخت و بی‌رحمانه را آشکار کردند. نرخ تولید مثل پروکلروکوکوس با افزایش دمای آب به صورت تصاعدی افزایش می‌یابد – اما فقط تا سقف سخت ۲۸ درجه سانتی‌گراد (۸۲.۴ درجه فارنهایت). هنگامی که دمای سطح به ۳۰ درجه سانتی‌گراد (۸۶ درجه فارنهایت) می‌رسد، تقسیم سلولی تقریباً دو سوم کاهش می‌یابد. این آسیب‌پذیری مستقیماً در DNA ارگانیسم گنجانده شده است. پروکلروکوکوس برای بقا در «بیابان‌های اقیانوسی» کم‌مغذی مناطق گرمسیری، یک ژنوم بسیار ساده‌شده را تکامل داد و مواد ژنتیکی «اضافی» را کنار گذاشت. این طراحی مینیمالیستی آن را در برداشت منابع کمیاب فوق‌العاده کارآمد کرد، اما ژن‌های خاص مورد نیاز برای ایجاد دفاع قوی در برابر استرس حرارتی را قربانی کرد.[1]

محققان با وارد کردن این محدودیت‌های حرارتی تازه کشف شده به مدل اکوسیستم دریایی داروین MIT، توانستند ریسک آینده را کمی‌سازی کنند. تحت یک سناریوی گرمایش متوسط (RCP4.5)، پیش‌بینی می‌شود که تولید پروکلروکوکوس در مناطق گرمسیری تا سال ۲۱۰۰، ۱۷ درصد کاهش یابد. تحت یک مسیر انتشار بالا (RCP8.5)، این کاهش به ۵۱ درصد خیره‌کننده می‌رسد. در سطح جهانی، بهره‌وری کلی می‌تواند تا ۳۷ درصد کاهش یابد، با پیش‌بینی فروپاشی تقریباً کامل جمعیت در گرم‌ترین مناطق دریایی، مانند حوضچه گرم اقیانوس آرام غربی. این پیش‌بینی‌ها نشان‌دهنده یک تغییر لرزه‌ای در بهره‌وری پایه اقیانوس است.[1]

پیامدهای اکولوژیکی چنین کاهشی گسترده و دوربرد است. پروکلروکوکوس به عنوان تولیدکننده اصلی در اقیانوس‌های گرمسیری، نور خورشید و دی‌اکسید کربن را به ماده آلی تبدیل می‌کند که همه چیز را از زئوپلانکتون‌های میکروسکوپی گرفته تا شکارچیان رأس هرم غذایی تغذیه می‌کند. کاهش ۵۱ درصدی در پایه مطلق شبکه غذایی، زیست‌توده ماهی‌های گرمسیری را به شدت کاهش می‌دهد و مستقیماً امنیت غذایی و ثبات اقتصادی جوامع ساحلی در سراسر جهان را تهدید می‌کند. علاوه بر این، کاهش فعالیت فتوسنتزی، ظرفیت اقیانوس برای جداسازی کربن را کاهش می‌دهد و یک حلقه بازخورد خطرناک ایجاد می‌کند که می‌تواند گرمایش جوی را تسریع کند.[4][5]

این کاهش همچنین تهدید می‌کند که بحران رو به رشد کاهش اکسیژن اقیانوس را تشدید کند. در حالی که کاهش پروکلروکوکوس تنها به طور جزئی اکسیژن جو را در مقیاس‌های زمانی طولانی انسانی کاهش می‌دهد، تهدید فوری متوجه خود ستون آب است. آب‌های گرم‌تر به دلیل شیمی فیزیکی پایه، اکسیژن محلول کمتری دارند و کاهش تولیدکننده اصلی اکسیژن اقیانوس می‌تواند به سرعت گسترش «مناطق مرده» دریایی را تسریع کند – بخش‌های وسیعی از اقیانوس که در آن سطح اکسیژن برای حمایت از حیات دریایی پیچیده بسیار پایین می‌آید و منجر به مرگ و میر گسترده ماهی‌ها و بی‌مهرگان می‌شود.[3][4]

در حالی که مدل‌های اکوسیستم قوی هستند، محدودیت‌های صریح و عدم قطعیت‌های شفافی دارند. ناشناخته اصلی پتانسیل سازگاری تکاملی است. محققان خاطرنشان می‌کنند که نمونه‌برداری کشتی‌محور آن‌ها، اگرچه گسترده بوده، ممکن است سویه‌های نادر و مقاوم به حرارت پروکلروکوکوس را که در گرم‌ترین و نمونه‌برداری‌نشده‌ترین نقاط اقیانوس گرمسیری زندگی می‌کنند، از دست داده باشد. با این حال، هنگامی که مدل‌سازان یک سویه مقاوم به حرارت فرضی را برای آزمایش این نظریه وارد شبیه‌سازی‌های خود کردند، این امر تنها فروپاشی جمعیت اجتناب‌ناپذیر را به تأخیر انداخت و نه اینکه به طور کامل از آن جلوگیری کند، که نشان می‌دهد سازگاری به تنهایی ممکن است نتواند این گونه را نجات دهد.[1]

یک عدم قطعیت حیاتی دیگر این است که آیا یک ارگانیسم دریایی دیگر می‌تواند وارد عمل شود تا جای خالی اکولوژیکی را پر کند. سینه‌کوکوس (Synechococcus)، یک سیانوباکتری نزدیک به پروکلروکوکوس اما مقاوم‌تر به حرارت، جمعیت‌های قوی را در دمای ۳۰ درجه سانتی‌گراد در داده‌های میدانی حفظ کرد. در حالی که این ارگانیسم می‌تواند به طور نظری جایگزین پروکلروکوکوس در یک اقیانوس گرم‌تر شود، سینه‌کوکوس برای بقا و تولید مثل به مواد مغذی به مراتب بیشتری نیاز دارد. از آنجایی که اقیانوس‌های گرمسیری به کمبود مواد مغذی معروف هستند، بسیار نامشخص است که آیا اکوسیستم می‌تواند بدون تحمل یک افت گسترده و دائمی در کل زیست‌توده بیولوژیکی، به آرامی به یک تولیدکننده اولیه جدید منتقل شود.[1]

در نهایت، بسته شواهد یک هشدار علمی واضح و فوری ارائه می‌دهد: استراتژی تکاملی مینیمالیستی که به پروکلروکوکوس اجازه داد تا میلیون‌ها سال بر اقیانوس جهانی تسلط یابد، آن را به طور منحصر به فردی در معرض تغییرات سریع اقلیمی ناشی از انسان قرار داده است. در حالی که این میکروب به احتمال زیاد با گرم شدن آب‌های جهانی، دامنه جغرافیایی خود را به سمت قطب‌های خنک‌تر گسترش خواهد داد، اقیانوس‌های گرمسیری که در حال حاضر به آن متکی هستند، با چشم‌انداز بسیار واقعی فقیر شدن خطرناک مواجه هستند و اکوسیستم‌های دریایی که حیات روی زمین را حفظ می‌کنند، به طور اساسی تغییر خواهند کرد.[2][3]