Wodny przegląd publikacji (15)

Wydawać by się mogło, że po niemal 100 latach od sformułowania konceptu trofii wód i badań nad procesem eutrofizacji, wiemy już o tym zjawisku wszystko. Nic bardziej mylnego! Artykuł polskich naukowców na temat wpływu fali upałów na toksyczność zakwitów sinicowych w jeziorach Europy dostarcza nowych informacji na ten temat. Również oceany kryją jeszcze mnóstwo tajemnic, na przykład w zakresie obiegu pierwiastków (chociażby węgla w kontekście presji rybołówstwa) czy związków (jak izoprenu, którego bilans okazuje się znacznie niedoszacowany). Przedstawiamy też prace traktujące o problemie nieuwzględniania dziedzictwa antropogenicznego w zarządzaniu zasobami wodnymi oraz o korzyściach dla nauki płynących z dostępu do dużych zbiorów danych (Big Data).

1. Harmful blooms across a longitudinal gradient in central Europe during heatwave: Cyanobacteria biomass, cyanotoxins, and nutrients

Wilk-Woźniak E., Krztoń W., Budziak M. et al. 2024. Harmful blooms across a longitudinal gradient in central Europe during heatwave: Cyanobacteria biomass, cyanotoxins, and nutrients. Ecological Indicators, 160, 111929,

Eutrofizacja wód jest procesem dosyć dobrze rozpoznanym, jednak okazuje się, że nadal kryje wiele tajemnic, które skutecznie ograniczają naszą zdolność zarządzania tym zjawiskiem. Szczególnie w dobie zmiany klimatu, która sprawia, że nasza wiedza wymaga stałej aktualizacji. Zespół kilkudziesięciu naukowców z Polski, Chorwacji i Litwy zadał sobie pytanie, czy fala upałów, która nawiedziła Europę w 2015 r. wpłynęła na zbiorowiska sinic w jeziorach i czy zakwity tych organizmów były zróżnicowane pomiędzy regionami klimatycznymi Europy Środkowej. Porównali oni dane z 92 jezior położonych w trzech regionach w gradiencie równoleżnikowym (północny chłodny, północny umiarkowany i północny ciepły). Analizie poddali biomasę sinic, gatunki dominujące, stężenie cyjanotoksyn, a także parametry ocieplenia klimatu (temperatura wody) i eutrofizacji (stężenie fosforu i azotu).

Okazało się, że najwyższą średnią biomasę sinic (głównie Aphanizomenon gracile, Dolichospermum spp., Microcystis spp. i Planktothrix agardhii) oraz najwyższe stężenia cyjanotoksyn stwierdzono w północnych jeziorach chłodnych, gdzie średnia temperatura epilimnionu była najniższa, podczas gdy w jeziorach ciepłych, o najwyższych temperaturach, sinic było najmniej. Stężenie biogenów korelowało istotnie z biomasą sinic, stężeniem cyjanotoksyn i biomasą niektórych gatunków (głównie P. agardhii), niezależnie od szerokości geograficznej.

Wyniki te wskazują na różny efekt wpływu zmiany klimatu na jeziora w różnych częściach Europy. Chociaż biogeny sprzyjały zakwitom sinic we wszystkich jeziorach, niezależnie od ich położenia, fale upałów w większym stopniu sprzyjały wzrostowi toksycznych zakwitów w chłodnych jeziorach północnych niż w tych położonych na niższych szerokościach geograficznych. Jak wskazują autorzy, dominujące w zakwitach gatunki sinic można uznać za ekologiczne wskaźniki zmiany klimatycznej, szczególnie w północno-wschodniej części kontynentu.

2. Good fisheries management is good carbon management

Andersen N.F., Cavan E.L., Cheung W.W.L. et al. 2024. Good fisheries management is good carbon management. npj Ocean Sustain 3, 17 (2024).

Co ma ryba do sekwestracji węgla w oceanie? Okazuje się, że dużo więcej niż do roweru. Ryby morskie są ważnym ogniwem obiegu i magazynowania węgla w oceanie na drodze szeregu procesów biologicznych i fizycznych, takich jak żerowanie, wydychanie rozpuszczonego CO₂, wydzielanie rozpuszczonego węgla organicznego i cząstek węgla nieorganicznego (węglanów) oraz wydalanie odchodów. Szacuje się, że globalnie ryby odpowiadają średnio za 16 proc. eksportu węgla organicznego ze strefy eufotycznej, a ich odchody mogą być odpowiedzialne za ponad 20 proc. respiracji i sekwestracji węgla w głębinowej strefie oceanu.

Procesy te są niestety zaburzane w wyniku przełowienia zasobów morskich. Skutki tej presji obejmują między innymi zanikanie stad ryb, niszczenie siedlisk dna morskiego, spadek lub załamanie się rybołówstwa, a w konsekwencji niekorzystne efekty społeczno-gospodarcze i konieczność wdrażania dotacji. Przełowienie i związana z nim degradacja siedlisk sprawiają, że ocean jest bardziej podatny na zmianę klimatu i ma mniejszą zdolność do buforowania jej skutków.

W artykule przeglądowym, opublikowanym w npj Ocean Sustainability, naukowcy sprawdzają, jak przełowienie zmienia rolę kręgowców morskich w obiegu węgla w oceanie, powodując szkody w bogatym w niego dnie morskim oraz przyczyniając się do wzrostu emisji gazów cieplarnianych. Omawiają też, w jaki sposób wdrożenie dobrego zarządzania rybołówstwem może zmniejszyć lub zniwelować skutki przełowienia. Zarządzanie przełowieniem jest jedną z najskuteczniejszych strategii ochrony oceanicznych zasobów dwutlenku węgla i może wnieść istotny wkład w łagodzenie zmiany klimatu i przystosowanie się do niej.

3. Dynamical order and many-body correlations in zebrafish show that three is a crowd

Zampetaki A., Yang Y., Löwen H. et al. 2024. Dynamical order and many-body correlations in zebrafish show that three is a crowd. Nat Commun 15, 2591.

Nie bez powodu mówi się, że troje to już tłum. Okazuje się, że to powiedzenie sprawdza się u danio pręgowanego. Ta popularna rybka akwariowa, dzięki łatwemu rozmnażaniu i szybkiemu cyklowi życiowemu, służy często jako organizm modelowy do badań kręgowców. Stanowi też wdzięczny obiekt badań laboratoryjnych nad układami biologicznymi i zachowaniami stadnymi. Jak się okazuje, nie tylko dla biologów. Zespół fizyków potraktował grupę danio pręgowanego jako układ oddziałujących czynników i zastosował metody z zakresu mechaniki statystycznej układów wielu ciał do zbadania korelacji przestrzennych pomiędzy obiektami w zależności od wielkości grupy. Naukowcy badali grupy obejmujące 2, 3, 4 lub 50 ryb, rekonstruując trajektorie ich wędrówek w 3D za pomocą odpowiedniego systemu śledzenia.

Najmniejsza grupa, która wykazywała zachowania typowe dla stada, obejmowała zaledwie trzy osobniki i stany te był stabilne i podobne do tych obserwowanych w większych grupach ryb. W zespole obejmującym 50 osobników stwierdzano wprawdzie stopniowy wzrost stanu rojenia nad innymi wzorcami, ale był to jedyny zaobserwowany efekt wpływu wielkości grupy. Co ciekawe, gdy analizowano małe grupy wydzielone z większej, stwierdzano bardzo małą różnicę w zachowaniach w porównaniu z izolowanymi grupami.

Oznacza to, że ryby oddziałują głównie z najbliższymi sąsiadami, resztę grupy postrzegając jako zmienne tło. Dlatego zachowanie stadne ryb jest widoczne już w grupach obejmujących zaledwie trzy osobniki. Praca wpisuje się w trend badań nad złożonymi interakcjami pomiędzy osobnikami ryb w ławicach, dzięki którym jednostki integrują informacje o zachowaniu swoich sąsiadów w procesie koordynacji ruchu i zbiorowego podejmowania decyzji. Co ciekawe, w zrozumieniu mechanizmów regulujących dynamikę ławic ryb, naukowcy widzą szansę na rozwiązanie problemu kolizji w ruchu drogowym.

4. Atmospheric isoprene measurements reveal larger-than-expected Southern Ocean emissions

Ferracci V., Weber J., Bolas C.G. et al. 2024. Atmospheric isoprene measurements reveal larger-than-expected Southern Ocean emissions. Nat Commun 15, 2571.

Izopren jest najpowszechniej występującym węglowodorem pochodzenia roślinnego oraz produkowanym przez ssaki. Stanowi do 70 proc. ilości węglowodorów w powietrzu wydychanym przez człowieka, choć jego stężenie jest bardzo zróżnicowane. Związek ten jest wysoce reaktywny i może wpływać na skład atmosfery i klimat poprzez oddziaływanie na gazy cieplarniane, ozon i metan oraz powstawanie wtórnych aerozoli organicznych. Z uwagi na brak wyników pomiarów długoterminowych, nasza wiedza na temat obiegu izoprenu w oceanie jest bardzo ograniczona.

Uważa się, że jest on wytwarzany głównie przez fitoplankton w odpowiedzi na bodźce środowiskowe (np. temperaturę, promieniowanie słoneczne). Rozpuszczony w powierzchniowej warstwie oceanu może ulec wymianie z atmosferą, zostać zużyty w procesach zachodzących w wodzie lub przeniesiony w głąb. Wielkość globalnych emisji izoprenu do morza jest wysoce niepewna ze względu na niepełne zrozumienie jego obiegu. Ostatnie badania sugerują na przykład, że chemiczne i biologiczne zużycie izoprenu w powierzchniowej warstwie oceanu może być równie efektywne, jak jego emisja do atmosfery.

Analiza pomiarów stężeń izoprenu w atmosferze nad Oceanem Południowym dokonanych podczas wyprawy Antarctic Circumnavigation Expedition (ACE) w ciągu czterech miesięcy antarktycznego lata 2016-2017 wykazała bardzo wysokie stężenia ( ponad 500 ppt) w obszarze marginalnej strefy lodowej na morzach Rossa i Amundsena. Wyniki wskazują, że obszar ten jest znaczącym źródłem izoprenu na dużych szerokościach geograficznych.

Korzystając z modelu UKESM1 (ang. United Kingdom Earth System Model), naukowcy dowiedli, że dotychczasowe szacunki przepływu strumieni izoprenu między morzem a powietrzem mogą być zaniżone o współczynnik wynoszący ponad 20. Zaobserwowane cykle dobowe sugerują, że fotochemiczna produkcja izoprenu na granicy faz morze-powietrze może mieć znaczący udział w jego całkowitym budżecie. Publikacja wskazuje na znaczne rozbieżności szacunków wielkości wymiany tego związku pomiędzy morzem a atmosferą, co stanowi istotną lukę w naszym rozumieniu jego obiegu w odległych środowiskach morskich.

5. Identifying anthropogenic legacy in freshwater ecosystems

Antonelli M., Laube P., Doering M. et al. 2024. Identifying anthropogenic legacy in freshwater ecosystems. WIREs Water, e1729.

Stan współczesnych ekosystemów wodnych jest wynikiem długiej historii zaburzeń, które obejmują zarówno zjawiska naturalne, takie jak powodzie, osuwiska czy erupcje wulkanów, jak i oddziaływania antropogeniczne, np. zanieczyszczenia czy wylesianie zlewni. Trwałe skutki zaburzeń struktury i funkcji ekosystemów określa się mianem dziedzictwa. W naukach o środowisku termin dziedzictwo lub efekt dziedzictwa pojawia się od końca XX w. Chociaż jego skutki mogą być spowodowane także zjawiskami naturalnymi, określenie dziedzictwo jest powszechnie używane w odniesieniu do trwałych zmian w ekosystemie spowodowanych przeszłą działalnością człowieka.

Zagadnienie dziedzictwa jest często pomijane w badaniach i zarządzaniu środowiskiem, co może prowadzić do stronniczej i błędnej interpretacji obecnej i przyszłej dynamiki ekosystemu. Problem ten zauważyli naukowcy z kilku ośrodków naukowych w Szwajcarii, którzy dokonali obszernego przeglądu zagadnienia opublikowanego na łamach WIRES Water.

Syntetyzując dotychczasowe postępy w badaniach nad dziedzictwem antropogenicznym, przedstawiają ramy koncepcyjne dla systematycznej identyfikacji tego zjawiska, omawiają historyczne i współczesne źródła informacji pomocne w jego rozpoznaniu (np. mapy historyczne i inne materiały kartograficzne, obserwacje Lidar, badania in situ zdeponowanych zanieczyszczeń) oraz przedstawiają praktyczne przykłady identyfikacji dziedzictwa antropogenicznego w rzeczywistych ekosystemach słodkowodnych, jak również skutki nieuwzględnienia go dla efektywnego zarządzania środowiskiem. Przegląd ten, jako efekt współpracy naukowców z różnych dziedzin, przedstawia kompleksowe podejście do dziedzictwa antropogenicznego. Jego celem jest wspieranie świadomego i systematycznego uwzględniania go w badaniach i zarządzaniu wodami słodkimi.

6. Big data in Earth science: Emerging practice and promise

Vance T.C., Huang T., Butler K.A. 2024. Big data in Earth science: Emerging practice and promise. Science 383, eadh9607.

Rosnąca liczba i rozdzielczość czujników naziemnych i satelitarnych w połączeniu z modelami o wysokiej rozdzielczości spowodowała napływ danych naukowych o Ziemi na niespotykaną dotychczas skalę. Jest ich dużo, a będzie coraz więcej. Jaki potencjał drzemie w zbiorach Big Data? Na pytanie to odpowiedzieli naukowcy z U.S. Integrated Ocean Observing System (IOOS), dokonując obszernego rozpoznania wpływu osiągnięć w dziedzinie Big Data na rozwój naszej wiedzy. Autorzy analizują, jak duże zbiory danych odnoszą się do współczesnych wyzwań nauki – powtarzalności i odtwarzalności wyników oraz przedstawiają drogi analiz od surowych danych do wyników. Kluczem do postępu jest pojawienie się modeli numerycznych, które pozwalają na modelowanie systemów ziemskich w przeszłości, teraźniejszości i przyszłości.

W przeglądzie autorzy skupiają się przede wszystkim na najnowszych zastosowaniach dużych zbiorów danych w trzech dyscyplinach — hydrologii, oceanografii i naukach o atmosferze. Wody powierzchniowe stanowią wyjątkowe wyzwanie dla nauki ze względu na dynamikę zasobów i ich efemeryczny charakter. Zbiorniki wód powierzchniowych mogą mieć zasięg od kilku metrów do wielu kilometrów, co może zmieniać się w skali czasowej od minut do dziesięcioleci. Duże zbiory danych umożliwiły dokładniejsze i pełniejsze wyznaczenie i inwentaryzację wód powierzchniowych, bardziej szczegółowe zrozumienie ich zmienności oraz wypracowanie modeli, które dokładniej określają ilościowo bilans wodny Ziemi. Praca stanowi obszerny i wyczerpujący przegląd źródeł danych typu Big Data, technik ich pozyskiwania i przetwarzania oraz możliwości wykorzystania w lepszym rozpoznaniu wodnych zasobów Ziemi.