Експеримент на учени от БАН показва как само 2°C могат да разделят устойчивостта на морската екосистема от масова загуба на организми.

  • Черно море е най-бързо затоплящото се море в Европа, а морските горещи вълни стават все по-чести и интензивни.
  • Здравите морски екосистеми могат да смекчат част от ефектите на затоплянето, но нов научен експеримент показва, че и тази естествена защита има крехък температурен предел. 
  • Учени от БАН пресъздават три температурни сценария – на 26, 28 и 30°C. Едва 2°C разлика се оказва критична: при 28°C морските треви все още успяват да опазят биоразнообразието и основни функции на екосистемата.
  • При 30°C вече картината се променя драматично: загиват морските треви и безгръбначните, а в пясъчните проби не остават живи организми.

Черно море вече усеща последиците от климатичните промени. Морските горещи вълни стават все по-чести, а температурите на водата достигат стойности, които доскоро се смятаха за необичайни. Какъв е пределът, отвъд който крайбрежните екосистеми вече не могат да се справят – това е ключово важен въпрос. Лабораторен експеримент на учени от Института по биоразнообразие и екосистемни изследвания (ИБЕИ) към БАН търси отговор. Резултатите показват, че морските треви действат като естествен буфер при умерено затопляне, но при 30°C и те не успяват да предотвратят резкия спад на биоразнообразието и нарушаването на процесите, които поддържат живота на морското дъно. 

Климатичните промени засягат особено силно моретата и океаните, а морските екосистеми са изложени на нарастващ топлинен стрес. Последните години са най-топлите, измервани досега в европейските морета (фиг. 1). 

Фиг. 1. Десетилетни средни аномалии на температурата на морската вода в европейските морета. Източник: European Environmental Agency (EEA). 

Според климатичните прогнози тази тенденция ще продължи, като песимистичните сценарии предвиждат увеличаване на температурите на морската вода в средиземноморския регион средно с 4-5°C до 2100 г. 

Поглед към бъдещето на морските екосистеми 

На този фон Черно море е особено уязвимо: то е най-бързо затоплящото се море в Европа, (фиг. 1), а наситеният му с кислород слой намалява. Бързото му затопляне е своеобразен поглед в бъдещето, който ни показва какви биха били глобалните последствия от климатичните промени за морските екосистеми. 

Черноморският басейн вече е подложен на множество натрупващи се натоварвания. Неговите екосистеми са преживяли един срив в края на 20-ти век. Причината е натрупването на няколко човешки въздействия: натоварване с азот и фосфор от интензивно земеделие, свръхриболов и инвазивни видове. В момента те са успели – повече или по-малко, да се възстановят, но морето все още е подложено на стрес от замърсяване, урбанизация на крайбрежието и туризъм. 

Какво представляват морските горещи вълни? 

Зачестяват и се засилват също т.нар. морски горещи вълни – периоди, в които температурата на морската вода остава необичайно висока дни или седмици наред. Обикновено те настъпват в резултат на големи количества топлина, която океаните поемат от атмосферата, или на пренос на по-топли води от морските течения. 

Според последните изследвания повечето от съвременните морски горещи вълни могат да се отдадат на човешките климатични изменения, честотата им се е удвоила през периода 1982-2016, а климатичните модели предвиждат и още по-голямо увеличение през 21 век при всички сценарии. Продължителното затопляне стресира морските организми и екосистеми и често води до масови измирания и загуба както на биоразнообразие, така и дори на цели местообитания. Това пък нарушава естествените процеси, чрез които морските екосистеми пречистват водата, съхраняват хранителни вещества и поддържат живота на морското дъно. Ако са достатъчно сериозни, настъпилите промени във функциите на екосистемите могат в крайна сметка да доведат до загуби и за важни човешки дейности като риболов и туризъм.

Според сателитни и сензорни измервания, след 2000 г. в крайбрежната зона на Бургаския залив са регистрирани две горещи вълни – през лятото на 2010 г., с максимални температури от 29.1°C, и през 2014 г., когато температурите достигат 29.25 °C.

Един експеримент за бъдещето на Черно море 

За да проследят как крайбрежните местообитания в Черно море реагират на подобен климатичен стрес, учени от ИБЕИ–БАН провеждат лабораторен експеримент по международния проект ACTNOW. 

Основният въпрос е как морските горещи вълни влияят върху растенията и животните в крайбрежната зона на Черно море? Променят ли се биоразнообразието, жизнените им функции и естествените процеси, които поддържат екосистемата – като кръговрата на азота, фосфора и въглерода? 

В продължение на един месец те подлагат на симулирани морски горещи вълни проби от две типични крайбрежни дънни местообитания – морски треви и пясъци. 

Подводните гори на Черно море

Морските треви са растения, които образуват подводни “гори” на морското дъно и осигуряват местообитания, укрития и храна на изключително разнообразни съобщества от микроорганизми, безгръбначни животни и риби. Екосистемите им натрупват и съхраняват големи количества органичен въглерод и участват в кръговрата на азота и фосфора. 

Скритият живот в пясъчното дъно 

Пясъчното дъно пък заема най-голямата площ от българското черноморско крайбрежие. Макар организмите там да са по-малко на брой, те също играят важна роля за функционирането на морското дъно. Когато се заравят, хранят и се движат в седиментите, те ги размесват и така подпомагат обмена на кислород и хранителни вещества – процес, наречен биотурбация. 

Черно море в лабораторията: 30 дни и 3 сценария 
За да проследят как морските горещи вълни влияят върху крайбрежните екосистеми на Черно море, учените провеждат 30-дневен лабораторен експеримент с проби от морски треви и пясъчни дъна.Изследвани са три температурни сценария:
– 26°C – днешните типични летни температури на черноморското крайбрежие (контролен вариант)
– 28°C – умерена гореща вълна, съответстваща на по-оптимистичните климатични сценарии за средиземноморския регион
– 30°C – силна гореща вълна, близка до песимистичните сценарии и свързвана с риск от масова смъртност на дънни организми.В началото и в края на експеримента учените измерват промените в биоразнообразието, състоянието на морските треви, съдържанието на кислород и хранителни вещества, както и обмена на кислород и хранителни вещества между морското дъно и водата. 

Защо разлика от едва 2°C се оказва критична?

Какво се случва при 28℃ на черноморското дъно?

При умерената гореща вълна от 28℃, морските треви успяват до известна степен да послужат за буфер на ефектите от затоплянето: биоразнообразието и активността на безгръбначните животни са същите, както и при нормални условия. Рециклирането и запасите на азотните и фосфорните съединения в седиментите също са запазени, както и запасите от органичен въглерод. 

В пясъчните седименти обаче дори това увеличение на температурата води до голяма смъртност на животински видове, като с малка численост оцеляват единствено видове, адаптирани към ниски концентрации на кислород. Съответно, биотурбацията е сериозно засегната и потоците на веществата се променят. 

Какво се случва при 30°C?

При силната гореща вълна и в двата типа екосистеми загиват както морските треви, така и безгръбначните животни (фиг. 3). В пясъците не остават никакви организми, а в морските треви оцеляват само единични екземпляри на толерантни видове. 

Фиг. 3. Смъртност на морски треви при симулирана силна гореща вълна (30℃).

Загубата на биоразнообразие води до драстично намаляване на биотурбацията и размесването на седиментите. 

Кислородът в седиментите и в двете местообитания е силно намален, а от тях във водата се отделят повече азот и фосфор, които при нормални условия биха се рециклирали. Въпреки това, запасите на въглерод, натрупан в седиментите, не се променят значително дори и при силната топлинна вълна.

Естествената защита има граници 
Основният извод е, че при умерено затопляне (28°C) морските треви действат като естествен буфер и помагат на крайбрежните екосистеми да запазят своите функции. При силна гореща вълна (30°C) обаче дори тази естествена защита вече не е достатъчна. 

Защо този праг е толкова важен? 

Загубата на биоразнообразие вследствие на силен топлинен стрес не означава само по-малко видове. Тя може да наруши и естествените процеси, които поддържат ключови процеси в седиментите. 

Когато морските треви и пясъчното дъно са сериозно засегнати в дългосрочен план, има риск запасите от въглерод да започнат да се освобождават във водата и да влошат ефектите от климатичните промени, като намалят способността на океаните да поемат повече въглерод.

Друг сериозен риск е вторичното замърсяване на водата с азот и фосфор с последствия като цъфтежи на планктон и бързо развиващи се водорасли, изчерпване на кислорода и последваща още по-масова смъртност на дънни и придънни организми.

Влошаването на качеството на водата и загубата на крайбрежни местообитания като тревите, в които живеят и нарастват малките на много видове риби, могат в крайна сметка да засегнат и туризма и риболова, от които се прехранват много хора по българското черноморско крайбрежие.

Какво показва – и какво не показва – експериментът? 

Това изследване е лабораторен експеримент, който позволява на учените да проследят влиянието само на един фактор – температурата – при строго контролирани условия. В природата обаче върху морските екосистеми едновременно действат множество други фактори като замърсяване, вълнение, течения и взаимодействия между различните организми.

Затова резултатите не означават, че при температура от 30°C същите промени непременно ще настъпят по същия начин навсякъде в Черно море. Те показват къде вероятно се намира прагът, след който рискът за крайбрежните екосистеми значително нараства. За потвърждаването им са необходими и наблюдения в реални условия.

Крайбрежните морски екосистеми могат да смекчат част от последиците от климатичните промени и да помогнат на Черно море да запази своята устойчивост. Морските треви играят ключова роля в този процес – те съхраняват въглерод, поддържат биоразнообразието и подпомагат естествените процеси, които поддържат функционирането на екосистемата .

Тази естествена защита обаче има своите граници. За да могат морските екосистеми да се приспособяват към все по-честите горещи вълни, те трябва да бъдат в добро екологично състояние и да не са допълнително натоварени от замърсяване и други човешки дейности. Опазването им днес е една от най-важните предпоставки Черно море да остане устойчиво и в условията на променящ се климат.

Често говорим за повишаване на глобалната температура с 1–2°C: например във връзка с целите на Парижкото споразумение или с явления като Ел Ниньо. За хората подобна разлика изглежда незначителна, но за редица екосистеми тя може да бъде границата между устойчивостта и срива. Именно това показва и този експеримент – само 2°C разлика между двата сценария са достатъчни, за да се премине от относително запазени функции на екосистемата към масова загуба на организми и нарушаване на ключови процеси. Последиците не остават само на морското дъно, понеже именно тези процеси определят качеството на водата, състоянието на крайбрежните екосистеми и условията за много от рибите и другите морски организми. Всичко в морето е свързано: когато живата система, която непрекъснато пречиства, рециклира и поддържа живота в морето, започне да се разпада, това неизбежно се отразява и на хората, които се издържат и изхранват от морето. 

Автор: Стефания Клайн / Климатека

Стефания Клайн е доктор по хидробиология и главен асистент в Института по биоразнообразие и екосистемни изследвания на БАН от 2022 г. Завършила е магистратура по морска биология във Франция. Като част от екипа на Лабораторията по морска екология на ИБЕИ-БАН участва в редица национални и международни проекти, свързани с картирането и опазването на дънните морски екосистеми в Черно море, биоразнообразието и функционирането им, влиянието на климатичните промени върху крайбрежните екосистеми. Научните ѝ интереси включват биоразнообразието и местообитанията на дънни безгръбначни, функционирането на морските екосистеми и човешкото въздействие върху тях, оценката на екологичното качество на средата