Volgens onderzoek van de University of East Anglia en het Earlham Institute zal de opwarming van de aarde waarschijnlijk abrupte veranderingen veroorzaken in belangrijke algengemeenschappen vanwege het verschuiven van de 'breekpunt'-grenzen van de biodiversiteit in de oceanen.

Een nieuwe studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , constateert dat naarmate klimaatverandering het warme halfrond uitbreidt, deze grenzen zullen naar verwachting de komende 100 jaar naar de polen verschuiven.

In plaats van een geleidelijke verandering in microbiële diversiteit door opwarming, de onderzoekers suggereren dat het abrupter zal gebeuren op wat ze 'breekpunten' noemen - overal waar de temperatuur van de bovenste oceaan rond de 15 graden is op jaarbasis, scheiding van koud en warm water.

Het VK is een van de gebieden die het zwaarst getroffen zullen worden, en plotselinger dan eerder werd gedacht. Maar het team zegt dat de veranderingen kunnen worden gestopt als we snel handelen om de klimaatverandering een halt toe te roepen.

Prof Thomas Mock, van UEA's School of Environmental Sciences, zei:"Algen zijn essentieel voor het in stand houden van een gezond ecosysteem om het oceaanleven in evenwicht te brengen. Door energie uit zonlicht te absorberen, kooldioxide en water, ze produceren organische verbindingen waar het zeeleven van kan leven.

"Deze organismen ondersteunen enkele van de grootste voedselwebben op aarde en sturen wereldwijde biogeochemische cycli aan.

"Verantwoordelijk voor ten minste 20 procent van de jaarlijkse wereldwijde koolstoffixatie, temperatuurveranderingen kunnen een aanzienlijke impact hebben op de algen die onze mariene systemen, visserij en de biodiversiteit van de oceaan zijn afhankelijk van.

"We wilden beter begrijpen hoe de klimaatcrisis algen wereldwijd beïnvloedt, van de Noordpool tot de Antarctische wateren."

Het onderzoek werd geleid door wetenschappers van UEA in samenwerking met het Joint Genome Institute van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) (JGI, VS) en het Earlham Institute (VK).

De grote studie werd gedurende meer dan 10 jaar uitgevoerd door een internationaal team van 32 onderzoekers, van instellingen, waaronder de University of Exeter in het VK en het Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research in Duitsland.

Het betrof de eerste pool-tot-pool analyse van hoe algen (eukaryotisch fytoplankton) en hun tot expressie gebrachte genen geografisch verspreid zijn in de oceanen. Dus, het team bestudeerde hoe hun genactiviteit verandert als gevolg van omgevingscondities in de bovenste oceaan van pool tot pool.

Omdat de bovenste oceaan al een aanzienlijke opwarming doormaakt door de stijgende CO ₂ niveaus, de onderzoekers schatten hoe de verspreiding van deze algengemeenschappen zou kunnen veranderen op basis van een model van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 5 ^e Evaluatieverslag.

De diversiteit en genactiviteit van de algengemeenschappen wordt gevormd door interacties met microscopisch kleine eencellige organismen, of prokaryoten, als onderdeel van complexe microbiomen.

De onderzoekers ontdekten dat deze wereldwijde gemeenschappen kunnen worden opgesplitst in twee hoofdclusters:organismen die voornamelijk in koude polaire en warme niet-polaire wateren leven.

De geografische patronen worden het best verklaard door de verschillen in de fysieke structuur van het water (bijvoorbeeld seizoensgebonden gemengd koud versus permanent gelaagd warm water) van de bovenste oceaan veroorzaakt door breedtegraden van temperatuur.

De organismen werden geanalyseerd door middel van nucleïnezuurextractie en DNA- en mRNA-sequencing van monsters verzameld tijdens vier onderzoekscruises in de Noordelijke IJszee, Noord Atlantische Oceaan, Zuid-Atlantische Oceaan en Zuidelijke Oceaan.

Prof Mock zei:"Aanzienlijke internationale inspanningen hebben inzicht gegeven in wat de diversiteit van deze organismen en hun wereldwijde biogeografie in de mondiale oceaan drijft, echter, er is nog steeds een beperkt begrip van milieuomstandigheden die verantwoordelijk zijn voor verschillen tussen lokale soortengemeenschappen op grote schaal van pool tot pool.

"Onze resultaten bieden nieuwe inzichten in hoe veranderende omgevingsomstandigheden correleren met veranderingen in de biodiversiteit die onderhevig zijn aan grootschalige omgevingsfluctuaties en verstoringen. Deze kennis is essentieel voor het voorspellen van de gevolgen van het broeikaseffect en kan daarom leidend zijn voor milieubeheer.

"We kunnen verwachten dat de mariene systemen rond het VK en andere landen op deze breedtegraad ernstig worden aangetast, en plotselinger dan eerder werd gedacht.

"De grootste ecosysteemverandering zal plaatsvinden wanneer mariene microalgengemeenschappen en de bijbehorende bacteriën in het VK worden vervangen door hun tegenhangers in warm water.

"Dit zal naar verwachting worden veroorzaakt door de poolwaarts verschuivende ecosysteemgrens of 'biodiversiteitsbreekpunt' dat beide gemeenschappen scheidt. Om dit te laten plaatsvinden, de jaarlijkse gemiddelde temperatuur van de bovenste oceaan moet warmer worden dan 15C.

"Het is echter niet onomkeerbaar, als we de opwarming van de aarde kunnen stoppen, " hij voegde toe.

Co-auteur Dr. Richard Leggett van het Earlham Institute, toegevoegd:"Deze studie laat ook zien welke belangrijke rol de vooruitgang in DNA-sequencingtechnologieën heeft gespeeld bij het begrijpen van ecosystemen in de oceaan en, daarbij, het helpen van onderzoekers om licht te werpen op en te worstelen met enkele van de grootste milieu-uitdagingen waarmee de planeet wordt geconfronteerd."

Het werk werd geleid door twee voormalige Ph.D. studenten van UEA's Schools of Environmental Sciences and Computing Sciences, Dr. Kara Martin (ook gevestigd aan het Earlham Institute) en Dr. Katrin Schmidt.

Dr. Martin zei:"Deze resultaten suggereren dat de belangrijkste ecologische grens in de bovenste oceaan de polaire en niet-polaire algenmicrobiomen op beide hemisferen scheidt, die niet alleen de ruimtelijke schaling van algenmicrobiomen verandert, maar ook poolwaarts verschuift als gevolg van het broeikaseffect.

"We voorspellen dat 'breekpunten' van microbiële diversiteit aanzienlijk naar de polen zullen bewegen als gevolg van de opwarming - met name rond de Britse eilanden - met abrupte verschuivingen in het microbioom van algen veroorzaakt door door de mens veroorzaakte klimaatverandering.

"Dit was een geweldige ervaring en een ongelooflijke kans om met een geweldig team te werken. Samen, we hebben een verbazingwekkende dataset geanalyseerd die de breedtegraad van ons microbiële oceaanonderzoek uitbreidt, waardoor we inzicht krijgen in onze veranderende oceaan van pool tot pool."

Dr. Schmidt zei:"Tijdens onze onderzoekscruises hebben we al heel verschillende algengemeenschappen opgemerkt, van warm tot koud water. Deze eerste bevinding werd ondersteund door onze resultaten die suggereerden dat de belangrijkste ecologische grens in de bovenste oceaan het polaire en niet-polaire algenmicrobioom scheidt op beide hemisferen. En nog belangrijker, deze grens verandert niet alleen de ruimtelijke schaling van het microbioom van algen, maar verschuift ook naar de polen als gevolg van de opwarming van de aarde."

Prof Tim Lenton, van de Universiteit van Exeter zei:"Terwijl de oceaan deze eeuw opwarmt door klimaatverandering, voorspellen we dat het 'breekpunt' tussen koude, polaire microalgengemeenschappen en warme, niet-polaire microalgengemeenschappen zullen zich noordwaarts verplaatsen door de zeeën rond de Britse eilanden.

"Omdat microalgen essentieel zijn voor de basis van de voedselketen, kunnen we grote veranderingen verwachten in de rest van het mariene ecosysteem, met gevolgen voor de visserij, evenals het behoud van de zee.

"De 'biologische koolstofpomp' waarmee de oceaan koolstofdioxide uit de atmosfeer opneemt, zal veranderen met deze verschuiving in microalgengemeenschappen - hoogstwaarschijnlijk minder effectief - wat op zijn beurt feedback zou kunnen geven om de opwarming van de aarde te versterken."

Sequencing werd gedaan bij het JGI als onderdeel van het Community Science Program-project Sea of ​​Change:Eukaryote fytoplanktongemeenschappen in de Noordelijke IJszee.

"De biogeografische differentiatie van algenmicrobiomen in de bovenste oceaan van pool tot pool" is gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 16 sept. 2021.