Οι «νεκρές ζώνες» των ωκεανών – περιοχές με χαμηλά επίπεδα οξυγόνου όπου η θαλάσσια ζωή πασχίζει να επιβιώσει – αντιμετωπίζονταν επί μακρόν ως σταθερά, προβλέψιμα συστήματα, όπου βασικές χημικές αντιδράσεις εξελίσσονταν αθόρυβα στο παρασκήνιο.
Όμως, μια νέα μελέτη υποδηλώνει ότι είναι πολύ πιο δυναμικές – μεταβάλλονται συνεχώς με τρόπους που θα μπορούσαν να αναδιαμορφώσουν τον τρόπο με τον οποίο ο ωκεανός αποθηκεύει άνθρακα και υποστηρίζει τη ζωή. Χρησιμοποιώντας έναν πλωτό ρομποτικό ανιχνευτή στον Ειρηνικό, οι επιστήμονες παρακολούθησαν ανεπαίσθητες χημικές αλλαγές με την πάροδο του χρόνου και διαπίστωσαν ότι το σύστημα δεν παραμένει καθόλου σταθερό.
Αντίθετα, αναδιοργανώνεται, με τα μικρόβια να εναλλάσσουν ρόλους και να μεταβάλλουν τον τρόπο με τον οποίο το άζωτο απομακρύνεται από το νερό.
Όσα αποκάλυψε το ρομπότ
Κατά τη διάρκεια τριών ετών στον Ανατολικό Τροπικό Βόρειο Ειρηνικό, το ρομπότ κατέγραψε τη μείωση των νιτρωδών αλάτων σε ύδατα που είναι γνωστά εδώ και καιρό για την έντονη απώλεια αζώτου. Εργαζόμενη στο Πανεπιστήμιο του Μαϊάμι, η Mariana Bif κατέγραψε αυτή την πτώση ως ένδειξη ότι η ίδια η χημεία αναδιοργανωνόταν, αντί να παραμένει απλώς σταθερή.
Κατά τα δύο πρώτα έτη, η ζώνη διατήρησε ένα ισχυρό στρώμα νιτρωδών αλάτων, όμως αυτό το χαρακτηριστικό εξασθένησε κατά τη διάρκεια του 2023 και του 2024. Αυτή η μεταβολή υπέδειξε μια μεταβαλλόμενη ισορροπία κάτω από την επιφάνεια και ήγειρε το βαθύτερο ερώτημα σχετικά με το ποιες μικροβιακές διεργασίες είχαν πλέον επικρατήσει.
Γιατί τα νιτρώδη άλατα έχουν σημασία
Οι αντιδράσεις του αζώτου αφήνουν πίσω τους νιτρώδη άλατα, ένα βραχύβιο τμήμα του κύκλου του αζώτου, του οποίου η άνοδος ή η πτώση δείχνει εάν τα μικρόβια συγκρατούν ή απομακρύνουν το άζωτο. Όταν τα μικρόβια μετατρέπουν αυτό το άζωτο σε αέρια, τα τροφικά πλέγματα χάνουν το «λίπασμά» τους και η χημεία που συνδέεται με τον άνθρακα μεταβάλλεται μαζί του.
Σε ορίζοντα 100 ετών, το υποξείδιο του αζώτου θερμαίνει τον πλανήτη περίπου 270 φορές περισσότερο από το διοξείδιο του άνθρακα. «Η κατανόηση του πότε και πού συμβαίνει η απώλεια αζώτου είναι κρίσιμη, διότι καθορίζει την παραγωγικότητα των ωκεανών, τον παγκόσμιο κύκλο του άνθρακα, ακόμη και την ισορροπία των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα», δήλωσε η Bif.
Διαβάζοντας σήματα στο φως
Αντί να προσθέσει αντιδραστήρια στη θάλασσα, η ομάδα άντλησε «κρυμμένα» στοιχεία από τα μοτίβα του υπεριώδους φωτός που είχαν ήδη καταγραφεί από τους αισθητήρες νιτρικών αλάτων. Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να ανακτήσουν δεδομένα για το θειοθειικό άλας —μια θειούχο ένωση του θαλασσινού νερού— και για τα νιτρώδη άλατα από μετρήσεις που προηγουμένως θεωρούνταν ότι αφορούσαν αποκλειστικά νιτρικά άλατα.
Επειδή τα ίδια συμπαγή όργανα είναι ήδη ενσωματωμένα σε πλωτούς ανιχνευτές (profiling floats), η προσέγγιση αυτή μπορεί να εξαπλωθεί ταχύτερα από την παλαιότερη δειγματοληψία μέσω πλοίων. Το μεγαλύτερο όφελός της ήταν η συνέχεια, καθώς ο ανιχνευτής επέστρεφε κάθε δέκα ημέρες και κατέγραφε σύντομες μεταβολές που τα πλοία χάνουν.
Τα μικρόβια οδηγούν την αλλαγή
Κάτω από τα 180 μέτρα περίπου, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα μοντέλο για να ταξινομήσει διάφορες μικροβιακές διαδρομές που εξελίσσονται μέσα στον ίδιο όγκο νερού. Μια διαδρομή που ονομάζεται απονιτροποίηση (denitrification) περιλαμβάνει ωκεάνια μικρόβια που αφαιρούν το οξυγόνο από τα νιτρικά άλατα.
Αυτή εντάθηκε όταν τα επίπεδα των νιτρωδών έπεσαν και η οργανική ύλη συνέχισε να τροφοδοτεί τη ζώνη. Μια άλλη διαδικασία, γνωστή ως anammox (αναερόβια οξείδωση αμμωνίου) –όπου τα μικρόβια μετατρέπουν το αμμώνιο και τα νιτρώδη σε αέριο άζωτο– έφτασε στη μέγιστη δραστηριότητά της σε διαφορετικά βάθη, αντί να ευθυγραμμίζεται στρώμα προς στρώμα με την απονιτροποίηση.
Αυτές οι εναλλαγές ρόλων είχαν σημασία, επειδή η ίδια κοινότητα θα μπορούσε είτε να διατηρήσει το άζωτο διαθέσιμο για περισσότερο χρόνο, είτε να οδηγήσει στην οριστική απώλειά του. Το άζωτο δεν έδρασε μόνο του, καθώς η ίδια μικροβιακή δραστηριότητα μετέβαλε επίσης το διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα βαθύτερα στο νερό.
Όταν τα μικρόβια αποσύνθεταν τη βυθιζόμενη οργανική ύλη απουσία οξυγόνου, παρήγαγαν περισσότερο διαλυμένο άνθρακα, μεταβάλλοντας παράλληλα την οξύτητα και τη μεταλλική ισορροπία. Οι περίοδοι με πτώση των νιτρωδών συνοδεύονταν επίσης από χαμηλότερο pH, δείχνοντας ότι οι αντιδράσεις αζώτου και άνθρακα παρέμεναν στενά συνδεδεμένες.
Αυτή η σύζευξη βοηθά να εξηγηθεί γιατί μια κρυφή αλλαγή εκατοντάδες πόδια κάτω από την επιφάνεια μπορεί να αναδιαμορφώσει την παραγωγικότητα της επιφάνειας και τις κλιματικές επιπτώσεις.
Οι ωκεάνιοι στρόβιλοι άλλαξαν τα πάντα
Η κίνηση των ωκεανών μετέβαλλε συνεχώς αυτή τη χημεία, καθώς τα περιστρεφόμενα ρεύματα καμπύλωναν τα στρώματα μέσα στα οποία μετακινούνταν τα θρεπτικά συστατικά και τα σωματίδια.
Ο άνθρακας συμμετέχει στη μεταβολή
Αυτοί οι στρόβιλοι μεσοκλίμακας – μεγάλα περιστρεφόμενα ωκεάνια ρεύματα που εκτείνονται από δεκάδες έως εκατοντάδες μίλια – μπορούν να ανυψώσουν ή να βυθίσουν θαλάσσια στρώματα και να μεταβάλουν το οξυγόνο, την παροχή τροφής και την οξύτητα.
Κατά τη διάρκεια μιας περιόδου υψηλής παραγωγικότητας στα τέλη του καλοκαιριού του 2022, ο αυξημένος σωματιδιακός οργανικός άνθρακας συνέπεσε με ισχυρότερη απονιτροποίηση και ασθενέστερη οξείδωση των νιτρωδών. Η περίοδος καταγραφής ήταν πολύ μικρή για να αποδοθούν αυτές οι διακυμάνσεις αποκλειστικά στο φαινόμενο Ελ Νίνιο (El Niño), όμως η βιολογία και η φυσική κινήθηκαν σαφώς παράλληλα.
Βλέποντας περισσότερα με τους πλωτούς ανιχνευτές
Οι αποστολές με ερευνητικά πλοία εξακολουθούν να παρέχουν πλουσιότερα δείγματα, ωστόσο συνήθως αποτυπώνουν μόνο μια μεμονωμένη στιγμή και χάνουν τις αργές χημικές ανατροπές. Αντίθετα, σχεδόν 4.000 ρομποτικοί πλωτήρες αναδύονται τώρα περίπου κάθε δέκα ημέρες μέσω του παγκόσμιου προγράμματος Argo.
Ένα σχετικό δίκτυο ανιχνεύει σήματα οξυγόνου, νιτρικών αλάτων, pH, σωματιδίων και άνθρακα σε βάθος έως και 2.000 μέτρα σε ολόκληρη τη διάταξη. Αυτή η εμβέλεια μετατρέπει μια έξυπνη μέθοδο ανίχνευσης σε κάτι πολύ ευρύτερο, καθώς οι επιστήμονες μπορούν πλέον να επανεξετάζουν τα δεδομένα των ανιχνευτών σε ωκεάνια κλίμακα.
Ενδιαφέρον πέρα από τον Ειρηνικό
Οι επιστήμονες ονομάζουν αυτά τα μέρη ζώνες έλλειψης οξυγόνου – ωκεάνια στρώματα με σχεδόν καθόλου οξυγόνο – και εμφανίζονται επίσης στην Αραβική Θάλασσα. Επειδή η νέα προσέγγιση χρησιμοποιεί την απορρόφηση του φωτός, είναι κατάλληλη για συμπαγή όργανα που μπορούν να λειτουργούν αυτόνομα για μήνες.
Η επαναχρησιμοποίηση αρχειοθετημένων αρχείων από πλωτούς ανιχνευτές θα μπορούσε να αποκαλύψει παρόμοιες χημικές αλλαγές και αλλού, ακόμη και σε περιοχές όπου τα πλοία σπάνια επιστρέφουν στα ίδια νερά. Αυτή η ευρύτερη εμβέλεια έχει σημασία, καθώς η επέκταση των ωκεάνιων υδάτων με χαμηλό οξυγόνο θα είναι ευκολότερο να παρακολουθηθεί με όργανα που ήδη παρασύρονται από τα ρεύματα σε όλο τον κόσμο.
Όσα διέφυγαν από έναν μόνο ανιχνευτή
Ένας ανιχνευτής από μόνος του δεν μπορεί να δώσει οριστικές απαντήσεις στα μεγαλύτερα ερωτήματα, καθώς τα σύντομα αρχεία καταγραφής ενδέχεται να χάνουν τους μακροχρόνιους κλιματικούς κύκλους, ενώ τα μοντέλα εξακολουθούν να απλοποιούν την περίπλοκη χημεία του ωκεανού.
Ορισμένες ιδιαιτερότητες των αισθητήρων μπορούν επίσης να θολώσουν τις πιο μικρές μεταβολές του οξυγόνου, ενώ κάποιες χημικές διαδρομές παραμένουν εκτός των τρεχόντων υπολογισμών. «Η καινοτομία και η συνεργασία είναι απαραίτητες για να απαντηθούν θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με τον ωκεανό μας. Αυτή η εργασία προσέφερε μια σημαντική νέα προοπτική για την κρυμμένη χημεία των θαλασσών», δήλωσε ο Kenneth Johnson από το Ερευνητικό Ινστιτούτο του Ενυδρείου του Μοντερέι Μπέι (MBARI).
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα μακροπρόθεσμα αρχεία καταγραφής σε πολλαπλές περιοχές με χαμηλό οξυγόνο έχουν εξίσου μεγάλη σημασία με την ίδια τη μέθοδο. Τα πρώτα αποτελέσματα υποδηλώνουν ήδη ότι αυτές οι ζώνες δεν συμπεριφέρονται ως σταθερά όρια, αλλά περισσότερο ως μεταβαλλόμενα χημικά συστήματα.
Με τη συνεχή κάλυψη από πλωτούς ανιχνευτές, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να αρχίσουν να παρακολουθούν την απώλεια αζώτου, την καταπόνηση από τον άνθρακα και τις οικοσυστημικές αλλαγές, καθώς αυτές εξελίσσονται σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Η μελέτη δημοσιεύεται στο περιοδικό Communications Earth & Environment.
