W badaniu przeprowadzonym pod kierunkiem Dartmouth zaproponowano nową metodę rekrutacji bilionów mikroskopijnych stworzeń morskich zwanych zooplanktonem do walki ze zmianami klimatycznymi poprzez przekształcanie węgla w pożywienie, które zwierzęta mogłyby jeść, trawić i wysyłać w głąb oceanu w postaci odchodów wypełnionych węglem.
Jak wynika z artykułu opublikowanego w Nature Scientific Reports, technika ta wykorzystuje żarłoczny apetyt zwierząt do znacznego przyspieszenia naturalnego cyklu oceanu polegającego na usuwaniu węgla z atmosfery, zwanego pompą biologiczną.
Rozpoczyna się od rozpylenia pyłu gliniastego na powierzchnię oceanu pod koniec zakwitu glonów. Zakwity te mogą urosnąć do powierzchni setek mil kwadratowych i co roku usuwać z atmosfery około 150 miliardów ton dwutlenku węgla, przekształcając go w organiczne cząstki węgla. Kiedy jednak zakwitnie, bakterie morskie pożerają cząstki stałe, uwalniając większość wychwyconego węgla z powrotem do atmosfery.
Naukowcy odkryli, iż pył gliniasty wiąże się z cząsteczkami węgla, zanim ponownie dostaną się do atmosfery, przekierowując je do morskiego łańcucha pokarmowego w postaci maleńkich, lepkich granulek, które żarłoczny zooplankton pochłania, a następnie wydala na mniejszych głębokościach.
„Zwykle tylko niewielka część węgla wychwyconego na powierzchni trafia do głębin oceanu w celu długotrwałego składowania” – mówi Mukul Sharma, współautor badania i profesor nauk o Ziemi. Sharma przedstawiła także swoje odkrycia 10 grudnia na dorocznej konferencji Amerykańskiej Unii Geofizycznej w Waszyngtonie
„Nowością w naszej metodzie jest wykorzystanie gliny do zwiększenia wydajności pompy biologicznej – zooplankton generuje odchody wypełnione gliną, które szybciej toną” – mówi Sharma, która w 2020 r. otrzymała Nagrodę Guggenheima za kontynuację projektu.
„Ten mały materiał jest przeznaczony do jedzenia przez te małe osobniki. Nasze eksperymenty wykazały, iż nie są w stanie stwierdzić, czy jest to glina i fitoplankton, czy tylko fitoplankton – po prostu to zjadają” – mówi. „A kiedy to wyrzucą, znajdują się setki metrów pod powierzchnią i jest tam też węgiel”.
Zespół przeprowadził eksperymenty laboratoryjne na wodzie zebranej z Zatoki Maine podczas zakwitu glonów w 2023 r. Odkryli, iż gdy glina łączy się z węglem organicznym uwalnianym podczas obumierania zakwitów, bakterie morskie wytwarzają rodzaj kleju, który powoduje, iż glina i węgiel organiczny tworzą małe kuleczki zwane kłaczkami.
Jak podają naukowcy, kłaczki stają się częścią codziennego stołu cząstek stałych, którymi pożera się zooplankton. Po strawieniu kłaczki zawarte w odchodach zwierząt opadają, potencjalnie zakopując węgiel na głębokościach, na których może on być przechowywany przez tysiąclecia. Badania wykazały, iż niezjedzone kulki gliny i węgla również toną, zwiększając swój rozmiar w miarę przylegania do nich większej ilości węgla organicznego oraz martwego i umierającego fitoplanktonu.
W eksperymentach zespołu pył gliniasty wychwytywał aż 50% węgla uwalnianego przez martwy fitoplankton, zanim zdążył unieść się w powietrze. Odkryli również, iż dodanie gliny zwiększyło 10-krotnie stężenie lepkich cząstek organicznych, które w miarę opadania gromadziły więcej węgla. Jednocześnie naukowcy podają, iż populacje bakterii powodujących uwalnianie węgla z powrotem do atmosfery w wodzie morskiej poddanej działaniu gliny gwałtownie spadły.
Sharma mówi, iż w oceanie kłaczki stają się istotną częścią pompy biologicznej zwanej śniegiem morskim. Śnieg morski to ciągły deszcz zwłok, minerałów i innej materii organicznej spadający z powierzchni, przenoszący żywność i składniki odżywcze do głębszych oceanów.
„Tworzymy śnieg morski, który może pochłaniać węgiel ze znacznie większą prędkością, łącząc się konkretnie z mieszaniną minerałów ilastych” – mówi Sharma.
Zooplankton przyspiesza ten proces dzięki swoim żarłocznym apetytom i niesamowitemu codziennemu bytowi, zwanemu migracją pionową diel. Pod osłoną ciemności zwierzęta – każde mierzące około trzech setnych cala – wznoszą się z głębin na setki, a choćby tysiące stóp jednym ogromnym ruchem, aby pożywić się bogatą w składniki odżywcze wodą znajdującą się blisko powierzchni. Skala jest porównywalna do sytuacji, w której całe miasto przemierza każdego wieczoru setki mil do swojej ulubionej restauracji.
Kiedy nastanie dzień, zwierzęta wracają do głębszej wody z kłaczkami w środku, gdzie odkładają się w postaci odchodów. Ten przyspieszony proces, znany jako transport aktywny, to kolejny najważniejszy aspekt pompy biologicznej oceanu, który skraca czas potrzebny do dotarcia węgla na mniejsze głębokości w wyniku zatonięcia.
Na początku tego roku współautor badania Manasi Desai przedstawił projekt przeprowadzony wraz z Sharmą i współautorem Davidem Fieldsem, starszym pracownikiem naukowym i ekologiem zooplanktonu w Bigelow Laboratory for Ocean Sciences w Maine, wykazując, iż zooplankton zjada i wydala kłaczki gliny rzeczywiście toną szybciej. Desai, były technik w laboratorium Sharmy, jest teraz technikiem w laboratorium Fieldsa.
Sharma planuje przetestować tę metodę w terenie, rozpylając glinę na zakwity fitoplanktonu u wybrzeży południowej Kalifornii dzięki samolotu do opylania upraw. Ma nadzieję, iż czujniki umieszczone na różnych głębokościach od brzegu wychwytują, w jaki sposób różne gatunki zooplanktonu zużywają kłaczki gliny i węgla, dzięki czemu zespół badawczy będzie mógł lepiej określić optymalny czas i lokalizację zastosowania tej metody oraz dokładnie określić, ile węgla ogranicza do głęboko.
„Bardzo ważne jest, aby znaleźć odpowiednie warunki oceanograficzne do wykonania tej pracy. Nie można bezmyślnie rozrzucać glinę wszędzie” – mówi Sharma. „Musimy najpierw poznać efektywność na różnych głębokościach, abyśmy mogli znaleźć najlepsze miejsca do zainicjowania tego procesu, zanim zaczniemy go wdrażać. Jeszcze nie jesteśmy na miejscu – jesteśmy na początku”.
Oprócz Desai i Fieldsa Sharma współpracowała z pierwszymi autorami badania, Dikshą Sharmą, badaczką ze stopniem doktora w swoim laboratorium, która w tej chwili jest stypendystką Marie Curie na Uniwersytecie Sorbona w Paryżu, oraz Vigneshem Menonem, który w tym roku uzyskał tytuł magistra w Dartmouth i jest w tej chwili doktorantem na Uniwersytecie w Göteborgu w Szwecji.
Do dodatkowych autorów badania zalicza się George O'Toole, profesor mikrobiologii i immunologii w Geisel School of Medicine w Dartmouth, który nadzorował hodowlę i analizę genetyczną bakterii w próbkach wody morskiej; Danielle Niu, która uzyskała doktorat z nauk o Ziemi w Dartmouth, a w tej chwili jest adiunktem klinicznym na Uniwersytecie Maryland; Eleanor Bates '20, w tej chwili doktorantka na Uniwersytecie Hawajskim w Manoa; Annie Kandel, była technikka w laboratorium Sharmy; oraz Erik Zinser, profesor nadzwyczajny mikrobiologii na Uniwersytecie Tennessee zajmujący się bakteriami morskimi.
