Закисление океана угрожает Большому Барьерному рифу , снижая жизнеспособность и прочность коралловых рифов . Большой Барьерный риф, считающийся одним из семи природных чудес света и очагом биоразнообразия , расположен в Австралии. Подобно другим коралловым рифам, он испытывает деградацию из-за закисления океана. Закисление океана происходит из-за повышения уровня углекислого газа в атмосфере , который поглощается океаном. [1] [2] Этот процесс может повысить температуру поверхности моря , уменьшить арагонит и снизить pH океана. Чем больше человечество потребляет ископаемого топлива, тем больше океан поглощает высвобождаемый CO₂, способствуя закислению океана.
Это ухудшение здоровья коралловых рифов, особенно Большого Барьерного рифа, может привести к сокращению биоразнообразия . Организмы могут оказаться в состоянии стресса из-за закисления океана, а исчезновение здоровых коралловых рифов, таких как Большой Барьерный риф, является потерей среды обитания для нескольких таксонов .
Содержание углекислого газа в атмосфере возросло с 280 до 409 частей на миллион [3] с момента промышленной революции . [4] Около 30% углекислого газа, выделяемого людьми, было поглощено океаном в течение этой эпохи. [5] Это увеличение содержания углекислого газа привело к снижению pH на 0,1, и к 2100 году оно может снизиться на 0,5. [6] [7] Когда углекислый газ встречается с морской водой, он образует угольную кислоту ; молекулы диссоциируют на водород, бикарбонат и карбонат, и они снижают pH океана. [8] Температура поверхности моря, кислотность океана и растворенный неорганический углерод также положительно коррелируют с содержанием углекислого газа в атмосфере. [9] Закисление океана может вызвать гиперкапнию и увеличить стресс у морских организмов, тем самым приводя к сокращению биоразнообразия. [4] Сами коралловые рифы также могут подвергнуться отрицательному воздействию закисления океана, поскольку скорость кальцификации снижается, а кислотность увеличивается. [10]
Арагонит подвержен влиянию процесса закисления океана, поскольку он является формой карбоната кальция. [8] Он необходим для жизнеспособности и здоровья кораллов, поскольку он содержится в скелетах кораллов и более легко растворим, чем кальцит. [8] Повышение уровня углекислого газа может снизить темпы роста кораллов с 9 до 56% из-за отсутствия доступных карбонатных ионов, необходимых для процесса кальцификации. [10] [11] Другие кальцифицирующие организмы, такие как двустворчатые моллюски и брюхоногие моллюски, также испытывают негативные последствия из-за закисления океана. [10] Избыток ионов водорода в кислой воде растворяет их раковины, ограничивая их укрытие и скорость размножения. [12]
Как очаг биоразнообразия, многие таксоны Большого Барьерного рифа находятся под угрозой из-за закисления океана. [13] Редкие и эндемичные виды находятся в большей опасности из-за закисления океана, поскольку они в большей степени зависят от Большого Барьерного рифа. Кроме того, риск разрушения коралловых рифов из-за закисления представляет угрозу для биоразнообразия. [14] Стресс от закисления океана может также негативно повлиять на другие биологические процессы, такие как снижение фотосинтеза или воспроизводства и повышение уязвимости организмов к болезням. [15]
Большой Барьерный риф подвержен плохому качеству воды и воздействию закисления океана. Существует тридцать пять крупных рек, которые сбрасывают питательные вещества и осадочные вещества, объем сброса примерно в пять-восемь раз больше, чем до европейского поселения. Эти сбросы приводят к повышению содержания питательных веществ в морской воде и мутности , что еще больше усиливает воздействие закисления океана. [16]
Коралл — это кальцифицирующий организм, что подвергает его высокому риску распада и замедления темпов роста по мере увеличения закисления океана. [10] Арагонит помогает кораллам в построении их скелетов, поскольку это другая форма карбоната кальция (CaCO3 ) , которая более растворима . Когда pH воды снижается, арагонит также уменьшается, что приводит к потере поглощения карбоната кальция кораллами. [17] Уровни арагонита снизились на 16% с момента индустриализации и могут быть ниже в некоторых частях Большого Барьерного рифа из-за течения, которое позволяет северным кораллам поглощать больше арагонита, чем южным кораллам. [17] Прогнозируется, что к 2100 году уровень арагонита сократится на 0,1, что может значительно затруднить рост кораллов. [17] С 1990 года темпы кальцификации Porites , обычного крупного рифообразующего коралла на Большом Барьерном рифе, снижались на 14,2% ежегодно. [10] Уровни арагонита по всему Большому Барьерному рифу не одинаковы; из-за течений и циркуляции некоторые части Большого Барьерного рифа могут иметь вдвое меньше арагонита, чем другие. [17] Уровни арагонита также зависят от кальцификации и производства, которые могут варьироваться от рифа к рифу. [17] Если уровень углекислого газа в атмосфере достигнет 560 ppm, большинство поверхностных вод океана будут неблагоприятно недонасыщены по отношению к арагониту, а pH снизится примерно на 0,24 единицы, с почти 8,2 сегодня до чуть более 7,9. На данный момент (где-то в третьей четверти этого столетия, при нынешних темпах увеличения уровня углекислого газа) только несколько частей Тихого океана будут иметь уровни насыщения арагонитом, достаточные для роста кораллов. Кроме того, если уровень углекислого газа в атмосфере достигнет 800 ppm, снижение pH поверхностной воды океана составит 0,4 единицы, а общая концентрация растворенных карбонатных ионов снизится как минимум на 60%. [15] Согласно последним оценкам, при сохранении уровня выбросов в обычном режиме уровень углекислого газа в атмосфере может достичь 800 ppm к 2100 году. [18] На данный момент почти наверняка все рифы в мире будут находиться в состоянии эрозии. Однако повышение pH и воссоздание условий химии океана до индустриализации на Большом Барьерном рифе привело к увеличению темпов роста кораллов на 7%. [19]
Закисление океана также может привести к повышению температуры поверхности моря. Повышение примерно на 1 или 2 °C может вызвать крах взаимосвязи между кораллами и зооксантеллами , что может привести к обесцвечиванию . [15] Прогнозируется, что средняя температура поверхности моря в районе Большого Барьерного рифа увеличится на 1–3 °C к 2100 году. [6] Обесцвечивание происходит, когда зооксантеллы и коралловые водоросли оставляют скелет коралла из-за стрессов в воде. Это приводит к тому, что коралл теряет свой цвет, потому что предыдущие организмы, поддерживаемые скелетом коралла, освобождаются, оставляя белый скелет. Обесцвеченный коралл больше не может завершать фотосинтез, и поэтому он медленно умирает. Кислотность воды будет медленно растворять оставшиеся скелеты кораллов, по сути, повреждая структурную целостность кораллового рифа. Существует много организмов, которые также полагаются на водоросли и зооксантеллы как на свой основной источник пищи. Поэтому организмы в обесцвеченном коралловом рифе вынуждены уходить в поисках новых источников пищи. Поскольку зооксантеллы и водоросли растут очень медленно, восстановление кораллового рифа до его первоначальной формы займет очень много времени. [20] Этот разрыв взаимоотношений между кораллом и зооксантеллами происходит, когда повреждается фотосистема II , либо из-за реакции с белком D1 , либо из-за отсутствия фиксации углекислого газа; это приводит к отсутствию фотосинтеза и может привести к обесцвечиванию. [8]
Закисление океана угрожает воспроизводству кораллов практически на всех этапах процесса. Гаметогенез может быть косвенно затронут обесцвечиванием кораллов . Кроме того, стресс, который закисление оказывает на кораллы, может потенциально нанести вред жизнеспособности высвобождаемой спермы. Личинки также могут быть затронуты этим процессом; метаболизм и сигналы оседания могут быть изменены, изменяя размер популяции или жизнеспособность воспроизводства. [8] [2] Другие виды кальцифицирующихся личинок показали снижение темпов роста в сценариях закисления океана. [9] Биопленка , биоиндикатор океанических условий, претерпела снижение темпов роста и изменение состава при закислении, возможно, влияя на заселение личинок на самой биопленке. [21]
На протяжении многих лет было несколько случаев массового обесцвечивания, которые затронули Большой Барьерный риф. В частности, в 2016 и 2017 годах риф пережил два года периодов обесцвечивания подряд. Этот длительный период привел к предполагаемой потере половины коралловой жизни на Большом Барьерном рифе. Те части рифа, которые выжили, были повреждены, что привело к общему периоду низкого воспроизводства кораллов. [22] Позже за этим последовало еще одно обесцвечивание в 2020 году, что сделало его третьим обесцвечиванием за пять лет. Однако исследования показали, что результаты обесцвечивания 2020 года были не слишком серьезными, поскольку оно затронуло лишь минимальное количество рифов, причем большинство из них находились на низком или умеренном уровне обесцвечивания. [23]
В начале 2022 года исследование показало, что 91% кораллов Большого Барьерного рифа подверглись той или иной степени обесцвечивания кораллов. [24] Рифы с более высоким уровнем обесцвечивания часто сопровождались более высокой общей температурой воздуха. Эти уровни температуры сохранялись в течение всего летнего сезона в Австралии, что объясняет длительные периоды обесцвечивания кораллов. Длительные периоды вызывают беспокойство, поскольку кораллы не смогут размножаться и вымрут, что приведет к еще большей потере рифов. Однако недавние отчеты от июня 2022 года заявили, что Большой Барьерный риф в настоящее время восстанавливается. Рифы, пострадавшие от обесцвечивания, снизились до 16% вдоль различных районов побережья Австралии. [24] Поскольку температура океана продолжает падать, мы можем ожидать, что уровень обесцвечивания снизится, а уровень кораллов увеличится. Хотя обесцвечивание кораллов снизилось, хищники кораллового рифа, морские звезды терновый венец , по-прежнему влияют на рост и развитие кораллов. [24]
Биоразнообразие относится к разнообразию форм жизни, включая разнообразие видов, генетическое разнообразие и разнообразие экосистем. Большой Барьерный риф является очагом биоразнообразия, насчитывающим более 9000 известных видов. [25] Однако с 1950-х годов половина живых кораллов на Большом Барьерном рифе погибла, а биоразнообразие, связанное с коралловыми рифами, сократилось на шестьдесят три процента. [26] Только около двадцати пяти процентов этих видов были официально обнаружены, в результате чего значительная часть еще не была научно классифицирована . [26] Мы, несомненно, теряем виды, которые нам еще предстоит идентифицировать, в результате изменения климата.
Снижение уровня арагонита в результате закисления океана продолжает оставаться одной из самых больших угроз Большому Барьерному рифу. [11] Здоровые рифы поддерживают тысячи различных кораллов, рыб и морских млекопитающих, но обесцвеченные рифы теряют способность поддерживать и поддерживать жизнь. [27] Структурные образования кораллов создают сложные среды обитания, критически важные для предоставления убежища, мест размножения и источников пищи для многочисленных морских организмов, включая рыб, беспозвоночных и микроорганизмы. [28] В свою очередь, кораллы зависят от рифовых рыб и других организмов, которые очищают и регулируют уровень водорослей, обеспечивают питательными веществами рост кораллов и сдерживают вредителей. [28] Коралловые рифы и виды, которые они содержат, имеют динамические симбиотические отношения.
Закисление океана может также косвенно влиять на любой организм, вызывая снижение темпов роста, снижение репродуктивной способности, повышение восприимчивости к болезням и повышение уровня смертности. [29] События обесцвечивания вызывают гомогенизацию состава кораллов и потерю структурной сложности, что может быть пагубным для рифовых рыб и других организмов, которые зависят от ветвящихся кораллов для размножения и укрытия. [29] Это снижение разнообразия экосистемы оказывает прямое влияние на разнообразие видов.
По мере того, как коралловые рифы разрушаются, их обитателям придется адаптироваться или найти новые места обитания, на которые можно положиться. [15] Закисление океана угрожает фундаментальному химическому балансу наших океанов, создавая условия, которые разъедают такие важные минералы, как карбонат кальция. Недостаток арагонита и снижение уровня pH в океанской воде затрудняют для кальцифицирующих организмов, таких как устрицы, моллюски, омары, креветки и коралловые рифы, построение своих раковин и экзоскелетов. [30] Было обнаружено, что организмы более чувствительны к воздействию закисления океана на ранних, личиночных или планктонных стадиях. Здоровье личинок и поселения как кальцифицирующих, так и некальцифицирующих организмов могут быть повреждены закислением океана.
Исследование, опубликованное в журнале Global Change Biology, разработало модель для прогнозирования уязвимости акул и скатов к изменению климата на Большом Барьерном рифе. Было обнаружено, что 30 из 133 видов были идентифицированы как умеренно или высоко уязвимые к изменению климата, причем наиболее уязвимыми видами являются пресноводный кнутохвост , скат-дикобраз , копьезубая акула и рыба-пила . Повышение температуры также влияет на поведение и приспособленность многих видов рифов, таких как обыкновенная коралловая форель, очень важная рыба для поддержания здоровья коралловых рифов. [31] Закисление океана может не только влиять на среду обитания и развитие, но и на то, как организмы видят хищников и сородичей . Исследования эффектов закисления океана не проводились в достаточно длительных временных масштабах, чтобы увидеть, могут ли организмы адаптироваться к этим условиям. Однако, как прогнозируется, закисление океана будет происходить со скоростью, с которой эволюция не сможет сравниться. [12]
Некоторые рыбы могут компенсировать нарушения в условиях высокого содержания CO2, но они демонстрируют неожиданную чувствительность к текущему и будущему росту уровня CO2. Чувствительность влияет на многие физиологические и поведенческие процессы, включая рост отолитов, которые представляют собой структуры из карбоната кальция в ушах рыб, помогающие поддерживать равновесие. Кроме того, она влияет на функцию митохондрий, скорость метаболизма, потребление желтка личинками, нейросенсорные процессы и поведение. Последствия нарушения работы нейротрансмиттеров, таких как ГАМК , все еще изучаются, но это может повлиять на рыб в ближайшем будущем. Чувствительность рыб к закислению океана различается у разных видов, при этом больше всего страдает сенсорное восприятие у всех видов. [32]
Естественным хищником коралловых рифов Большого Барьерного рифа является морская звезда Терновый венец ( Acanthaster planci) . Вспышки популяции морской звезды Терновый венец являются одной из основных причин сокращения численности кораллов по всему Большому Барьерному рифу, поскольку взрослая морская звезда Терновый венец способна потреблять до 10 м2 рифообразующих кораллов в год. [9] Однако каждый вид кораллов подвергается не одинаковому воздействию, поскольку было замечено, что морская звезда отдает предпочтение ветвящемуся виду коралла Acropora , за которым следует подвид ветвящегося. Это приводит к последовательному и упорядоченному искоренению видов коралловых рифов.
Вспышки популяции морской звезды «Терновый венец» на Большом Барьерном рифе участились в последние годы, что, по прогнозам ученых, может быть связано с деятельностью человека. [33] Любое увеличение питательных веществ, возможно, из-за речного стока, может положительно повлиять на популяции морских звезд, что приведет к пагубным вспышкам. [33] По мере увеличения давления, вызванного изменением климата, время между нарушениями рифа становится короче, оставляя меньше времени для восстановления рифа.
Недавние исследования показали потенциальное решение, которое включает искусственное подщелачивание океана. Этот метод содержит раствор, который увеличивает щелочность воды примерно на 4 моля. Корабли будут вводить искусственное подщелачивание океана по всему побережью океана, и это снизит pH океана, в результате чего закисление океана временно исчезнет. В результате моделирования были получены результаты, указывающие на значительное увеличение состояния насыщения арагонитом по всему Большому Барьерному рифу. Использование подщелачивания компенсировало бы около 4 лет закисления океана. Кроме того, результаты показали, что было увеличение состояния насыщения арагонитом примерно в 25% рифов, что означает, что подщелачивание полезно для снижения OA. [34] Введение искусственного подщелачивания океана не является жизнеспособным решением без снижения последствий изменения климата.
Будучи основными очагами биоразнообразия, коралловые рифы очень важны для экосистемы и средств к существованию морской и человеческой жизни. Страны по всему миру зависят от рифов как источника пищи и дохода, особенно для цивилизаций, населяющих небольшие острова. [35] При более чем 60%-ном сокращении доступной рыбалки вокруг коралловых рифов многие страны будут вынуждены адаптироваться. [25] Коралловые рифы также важны для экономики страны, поскольку рифы обеспечивают различные формы туристической деятельности, которые могут принести большой доход экономике. [36] Они также могут способствовать индивидуальному уровню благополучия, поскольку владельцы этого бизнеса получают прибыль от возросшего посещения и использования. Коралловые рифы также обеспечивают форму прибрежной инфраструктуры, которая действует как барьер между нами и крупными океанскими катастрофами, такими как цунами и прибрежные штормы. [35]