Wodny przegląd publikacji (23)

Poprzednia zima daleko za nami, do następnej mamy jeszcze kilka miesięcy, ale już teraz możemy się dowiedzieć, jak ocieplenie klimatu wpływa na zjawiska lodowe na południu Polski. Rozważamy też, czy skuteczniejsze jest zakładanie jednego dużego obszaru ochrony przyrody czy sieci mniejszych, lecz powiązanych funkcjonalnie. Okazuje się, że w przypadku ptaków wędrownych kluczem jest odległość pomiędzy refugiami.

Prezentujemy również najnowsze doniesienia o wiązaniu dwutlenku węgla przez mangrowce i azotu atmosferycznego przez heterotroficzne diazotrofy, a także o wpływie obecności poliestru na metabolizm osadów międzypływowych. W najnowszym doniesieniu o najsłynniejszym ostatnio glonie Prymnesium parvum poznamy nowo odkryty gigantyczny enzym o wdzięcznej nazwie PKZILLA, który uczestniczy w syntezie prymnezyn. Czyli złota alga znowu zaskakuje. A na koniec dowiemy się, co ma woda do budowania piramid.

1. Analysis of changes in the occurrence of ice phenomena in upland and mountain rivers of Poland

Kochanek K., Rutkowska A., Baran-Gurgul K. et al. (2024). Analysis of changes in the occurrence of ice phenomena in upland and mountain rivers of Poland. PLoS ONE 19(7): e0307842.

W rzekach stref klimatu umiarkowanego, kontynentalnego i polarnego nieodłącznym elementem naturalnego cyklu rocznego są zjawiska lodowe. Jednak postępujące ocieplenie klimatu prowadzi do zmniejszenia pokrywy śnieżnej na lądzie i zjawisk lodowych w zbiornikach wodnych, co zakłóca stabilność cyklu hydrologicznego i funkcjonowania ekosystemów. O tym, jak warunki śniegowe wpływają na przepływ w rzekach, pisaliśmy również w poprzednim numerze Wodnych Spraw.

Aby przekonać się, jak wygląda sytuacja w wyżynnych i górskich rzekach naszego kraju, zespół polskich naukowców przeanalizował zmiany rocznej liczby dni z występowaniem zjawisk lodowych (NDI, ang. numer of days with ice) w rzekach południowej Polski, w których w latach 1951–2021 zjawiska lodowe obserwowano co roku przez co najmniej 30 lat. Na podstawie wyników testu Manna-Kendalla stwierdzono statystycznie istotne trendy spadkowe rocznego NDI dla większości stacji pomiarowych. Analizy korelacji i regresji wykazały, że głównym czynnikiem wywołującym spadek NDI jest wzrost średniej zimowej temperatury powietrza, przy czym wzrost temperatury o 1°C powoduje spadek NDI o 12-20 dni. Autorzy prognozują, że w przypadku utrzymywania się tych negatywnych trendów, w ciągu kilku dekad zjawiska lodowe mogą całkowicie zaniknąć w rzekach południowej Polski.

2. Proximity among protected area networks promotes functional connectivity for wintering waterfowl

Masto N.M., Keever A.C., Highway C.J. et al. Proximity among protected area networks promotes functional connectivity for wintering waterfowl. Sci Rep 14, 17527 (2024).

Projektowanie sieci obszarów chronionych wymaga od decydentów rozważenia, czy cele ochrony będą uzyskane efektywniej przez jeden duży obszar czy kompleks wielu mniejszych (dylemat SLOSS, od ang. single large or several small). W rozwiązaniu tego dylematu mogą pomóc ptaki terenów podmokłych, które ze względu na swoją mobilność, są wykorzystywane jako organizmy modelowe do testowania prognoz wyspowych w sieciach obszarów chronionych. W badaniu wykorzystującym dane o przemieszczaniu się krzyżówki Anas platyrhynchos zimującej na kompleksach bagiennych zachodniego Tennessee, zachodniego Kentucky, północno-wschodniego Arkansas i południowo-wschodniego Missouri w USA w latach 2019-2023, naukowcy testowali, czy rozmiar i izolacja obszarów mają wpływ na funkcjonalną łączność refugiów (rezerwatów, sanktuariów) w obrębie sieci takich obszarów.

Bliskość położenia refugiów wspierała ruchy między węzłami sieci w większym stopniu niż wielkość obszaru, nawet w przypadku ptaków, które teoretycznie nie są ograniczane przez jakość terenów łączących (brak barier). Korzystanie z refugiów zwiększyło przeżywalność zimujących ptaków, co oznacza, że dostęp do nich ma bezpośrednie konsekwencje dla kondycji populacji. Wyniki tych badań mogą pomóc udoskonalić projektowanie sieci obszarów chronionych, w tym praktyki pozyskiwania gruntów, przywracania i zarządzania obszarami, zwłaszcza w przypadku zależnych od terenów podmokłych wędrownych ptaków łownych.

3. Four decades of data indicate that planted mangroves stored up to 75% of the carbon stocks found in intact mature stands

Bourgeois C. F., MacKenzie R. A. Sharma S. et al. (2024). Four decades of data indicate that planted mangroves stored up to 75% of the carbon stocks found in intact mature stands. Sci. Adv.10, eadk5430.

Tereny pokryte roślinnością pełnią ważną rolę w sekwestracji dwutlenku węgla z atmosfery, a jednym ze sposobów mitygacji emisji gazów cieplarnianych jest wprowadzanie nasadzeń na terenach pozbawionych roślinności na skutek działalności człowieka. Praktyki takie stosuje się obecnie m.in. na obszarach lasów namorzynowych, które przez ostatnie 50 lat utraciły ponad 35 proc. swojej powierzchni na skutek wylesiania. Te ekosystemy, zwane też lasami mangrowymi, są wyjątkowo efektywne w wyłapywaniu i sekwestrowaniu dwutlenku węgla z atmosfery, dzięki czemu pełnią istotną rolę w ograniczaniu skutków emisji gazów cieplarnianych.

Naukowcy zadali sobie pytanie, czy i w jakim horyzoncie czasowym nasadzane lasy namorzynowe są podobnie efektywne, jak ekosystemy naturalne, nieprzekształcone. Przeanalizowali dane o biomasie nadziemnej, podziemnej i zasobach węgla (do głębokości 1 m) z ponad 800 stanowisk z 24 krajów, gdzie namorzyny zostały odtworzone (nasadzone) i porównali z danymi z 475 stanowisk nieprzekształconych. Wykorzystując bayesowskie modele logistyczne opracowane na podstawie danych z okresu 40 lat, wykazali, że zapas węgla w biomasie w ciągu około 20 lat po zasadzeniu osiągnął poziom 71-73 proc. w stosunku do stanowisk naturalnych.

Ponadto dowiedli, że wyższe wartości kumulacji osiągały nasadzenia mieszane gatunkowo (gatunki z rodzajów Rhizophora, Kandelia czy Avicennia) niż monokultury. Pomimo 25 proc. wzrostu w pierwszych 5 latach po zasadzeniu, nie zaobserwowano znaczących zmian w zapasach węgla w glebie, które pozostawały na stałym poziomie 75 proc. w stosunku do zapasu węgla na stanowiskach nieprzekształconych.

W naszych warunkach fizyczno-geograficznych namorzyny nie występują, ale wyniki tych badań wskazują, że szybko rosnące (<10 lat do osiągnięcia szczytowej biomasy) pionierskie gatunki roślin mogą znaleźć zastosowanie w rozwiązaniach opartych na naturze, mających na celu stabilizację gleby, wsparcie ekologiczne i mitygację niekorzystnych efektów działań człowieka.

4. Nitrogen fixation in the widely distributed marine γ-proteobacterial diazotroph Candidatus Thalassolituus haligoni

Rose S. A., Robicheau B. M., Tolman J. et al. (2024). Nitrogen fixation in the widely distributed marine γ-proteobacterial diazotroph Candidatus Thalassolituus haligoni. Sci. Adv. 10, eadn1476.

Oceany są zasiedlane przez powszechną i różnorodną grupę heterotroficznych diazotrofów bakteryjnych (HBD), czyli bakterii (i archeonów), które dzięki enzymowi nitrogenazie mają zdolność wiązania azotu cząsteczkowego (N₂). Jednym z takich organizmów jest Candidatus Thalassolituus haligoni, członek szeroko rozpowszechnionego kladu HBD, należącego do Oceanospirillales, który został wyizolowany i scharakteryzowany przez kanadyjskich biologów z uniwersytetu w Halifaksie.

Analiza genu nifH tego organizmu za pomocą sekwencjonowania amplikonów wykazała, że jest on powszechny i występuje w Oceanie Spokojnym, Atlantyckim i Arktycznym. Analiza pangenomu wskazała też, że izolat dzieli >99 proc. tożsamości z niehodowanym genomem złożonym z metagenomu o nazwie Arc-Gamma-03, niedawno odzyskanym z Oceanu Arktycznego. W oparciu o badania genomiczne, proteomiczne i fizjologiczne naukowcy potwierdzili, że izolat wiąże azot cząsteczkowy, chociaż mechanizmy regulujące nitrogenazę u Cand. T. haligoni pozostają niejasne. Cand. T. haligoni jest jedynym znanym hodowanym przedstawicielem rodziny Oceanospirillaceae wiążącym N₂, który jest szeroko rozpowszechniony w całym otwartym oceanie.

Możliwość jego hodowli dostarcza cennych informacji na temat trybu życia innych niehodowanych HBD, których obecność jest wykrywana wyłącznie poprzez sekwencjonowanie metagenomiczne lub amplikonu nifH. Autorzy badania postulują, aby uznać izolat za kluczowy gatunek modelowy do badania ekofizjologii diazotroficznego kladu Oceanospirillales w warunkach polarnych i umiarkowanych.

5. Giant polyketide synthase enzymes in the biosynthesis of giant marine polyether toxins

Fallon T.R., Shende V.V., Wierzbicki I.H. et al. (2024). Giant polyketide synthase enzymes in the biosynthesis of giant marine polyether toxins. Science 385, 671-678.

Skoro już jesteśmy przy badaniach genetycznych, to na początku sierpnia b.r. na łamach magazynu Science ukazało się bardzo interesujące doniesienie na temat odkrycia nieznanych dotąd genów u słynnego ostatnimi laty w Polsce glonu Prymnesium parvum (tzw. złotej algi). Organizm ten ma zdolność produkowania toksycznych dla zwierzątskrzelodysznych substancji, tzw. prymnezyn, które należą do największych niepolimerowych związków w przyrodzie. Mimo to ich biosynteza pozostaje dla nas zagadką od ponad 40 lat.

Zespół amerykańskich naukowców pod kierunkiem Fallona z Uniwersytetu Kalifornijskiego zidentyfikował geny syntazy poliketydowej (PKS) P. parvum, które kodują białka uczestniczące w biosyntezie prymnezyn o niespotykanych rozmiarach. Białka te należą do gigantów w świecie przyrody, są większe niż tytyna – największe znane białko człowieka. Ze względu na rozmiary, autorzy nadali tej gigasyntazie wdzięczną nazwę PKZILLA. Publikacja jest kolejnym krokiem do zrozumienia funkcjonowania tego tajemniczego i trudnego do interpretacji glonu. Poszerza też nasze oczekiwania dotyczące genetycznych i enzymatycznych ograniczeń wielkości w biologii.

6. Rapid effects of plastic pollution on coastal sediment metabolism in nature

Ladewig S.M., Bartl I., Rindelaub J.D. et al. (2024). Rapid effects of plastic pollution on coastal sediment metabolism in nature. Sci Rep 14, 17963.

Wszechobecność mikroplastiku jest faktem powszechnie potwierdzonym i wszyscy wiemy, że w zasadzie na naszej planecie nie ma środowiska wolnego od tego zanieczyszczenia. Natomiast wpływ jego występowania na funkcjonowanie ekosystemów nadal jest słabo zbadany. Okazuje się, że obecność plastiku może istotnie modyfikować metabolizm osadów międzypływowych mórz, co wykazał zespół ekologów morskich z Uniwersytetu w Auckland w Nowej Zelandii.

W trwającym 72 dni eksperymencie autorzy monitorowali tempo zużycia tlenu w osadach, w których zakopano paski siatki poliestrowej, powszechnie dostępnego tworzywa. Wyniki wykazały szybszy spadek zużycia tlenu w porównaniu ze stanowiskami kontrolnymi, co potencjalnie wiązano z utratą z materiału poliestrowego dodatku w postaci ftalanu di (2-etyloheksylu) (DEHP), przy czym stężenia DEHP spadły o 89 proc. w ciągu pierwszego tygodnia od wdrożenia. Jednak już po 22 dniach eksperymentu wpływ plastiku na zużycie tlenu zaniknął, co wskazuje na krótkotrwałe oddziaływanie i szybką regenerację. Badanie to potwierdza bezpośrednie konsekwencje zanieczyszczenia plastikiem w osadach przybrzeżnych, przyczyniając się do lepszego zrozumienia czasowej zmienności wieloaspektowych skutków obecności tego typu substancji w środowisku.

7. On the possible use of hydraulic force to assist with building the step pyramid of saqqara

Landreau X., Piton G., Morin G. et al. (2024) On the possible use of hydraulic force to assist with building the step pyramid of saqqara. PLoS ONE 19(8): e0306690.

A na koniec przewrotne pytanie: co ma woda do piramid? Otóż ma, bo badania opublikowane w sierpniu w czasopiśmie PLOS ONE przez Xaviera Landreau z CEA Paleotechnic Institute we Francji i jego współpracowników wskazują, że najstarsza z kultowych piramid Egiptu, piramida Dżesera (zbudowana około 2680 r. p.n.e.), mogła zostać skonstruowana przy użyciu unikalnego hydraulicznego systemu podnośników (winda hydrauliczna).

Badania sugerują, że woda mogła wpływać do dwóch szybów znajdujących się wewnątrz budowli, gdzie mogła być używana do podnoszenia i opuszczania pływaka przenoszącego kamienie budowlane. Szereg komór wykopanych w ziemi na zewnątrz piramidy mógł służyć jako miejsce uzdatniania wody, umożliwiając oczyszczanie jej z osadów podczas przepływu przez każdą kolejną komorę. Woda mogła następnie wpływać do szybów, gdzie jej siła wykorzystywana była do przenoszenia kamieni budowlanych.

Autorzy badania sugerują, że nawet jeśli do stawiania piramidy były stosowane inne udoskonalenia budowlane, takie jak rampy, to hydrauliczny system mógł być używany do wspierania tego procesu. Warunkiem zastosowania takiego rozwiązania była dostępność wystarczającej ilości wody, której w okresie budowy piramid, czyli tzw. Zielonej Sahary, było znacznie więcej, niż obecnie.