L’efecte accelerat del canvi climàtic a l’ecosistema àrtic

12 febrer 2016

Click here for the english version: The effect of rapid climate change in the Arctic ecosystem

 

L’oceà Àrtic o l’Àrtida

Curiosament i casualment, “àrtic” prové de la paraula grega αρκτος -arctos-, que vol dir “ós”, i és una referència a la constel·lació Óssa Menor, on hi ha l’estrella Polar, que assenyala el pol nord geogràfic.

L’Àrtic, o també anomenat Àrtida, constitueix un ecosistema únic de la Terra, format per una extensa banquisa, o sigui un oceà cobert de gel, a vegades considerat com la part nord de l’oceà Atlàntic, i que està envoltat per terra que és permagel (permafrost), amb absència absoluta d’arbres. La vida a l’Àrtida consta d’organismes adaptats al gel, incloent zooplàncton i fitoplàncton, peixos, mamífers marins, ocells, animals terrestres, plantes i societats humanes totalment adaptades a les condicions extremes de l’entorn.

Degut a l’escalfament global, les isotermes estan avançant en direcció nord a un ritme superior als 50 km per dècada durant els últims 30 anys, de manera que si definim l’àrtic a partir de la temperatura o de la línia d’arbres la seva extensió està disminuint, cosa de la qual l’efecte més visible és la reducció de la banquisa.

 

Canvi climàtic antropogènic: Escalfament global i especialment a l’Àrtic

Doncs sí: el canvi climàtic ja és aquí i és generat per les activitats humanes, o sigui és antropogènic. A la Terra hi han hagut prèviament oscil·lacions de la temperatura global causades per fenòmens naturals, normalment variacions cícliques i de llarga durada. Per exemple les glaciacions des de fa uns 2 milions d’anys es repeteixen cada 100.000 anys i la última època glacial va acabar fa 15.000 anys. Per tant ara vivim es un període interglacial i la propera glaciació podria esdevenir no abans d’uns 50.000 anys. La causa d’aquest cicle de glaciacions sembla que són les variacions orbitals de la Terra, que donen lloc a una menor insolació a les latituds altes de l’hemisferi Nord durant els períodes glacials.

L’activitat solar, com la d’altres estrelles, també té cicles i aproximadament cada 600 anys hi ha uns períodes de molt poca activitat (molt poques taques i absència d’aurores), amb menor emissió d’energia, que es corresponen amb períodes freds en el clima terrestre. El darrer mínim fou els anys 1645-1715, i per tant des de mitjans del segle XVIII gaudim d’un màxim d’activitat, amb petits cicles de màxims i mínims de 11 anys.

Descomptant aquestes variacions naturals, és evident que al llarg del segle XX i sobretot des dels anys 1960 hi ha hagut un increment constant de la temperatura mitjana global (Figura 1), fins assolir quasi 1ºC més que a l’inici del segle XX. Als primers anys d’aquest segle XXI la tendència s’està agreujant. Els últims 10 anys han estat els més calorosos des que es porten registres i les prediccions són a seguir augmentant. La majoria dels experts estan d’acord en què els humans exerceixen un impacte directe sobre aquest procés d’escalfament, conegut com a efecte d’hivernacle. Els causants d’aquest efecte són els components gasosos de l’atmosfera, i sobretot el CO₂, que ha anat augmentant en paral·lel a la pujada de temperatures, des d’unes 300 ppm a inicis del s. XX fins als quasi 400 ppm actuals. Aquest CO₂ i altres gasos com el mateix vapor d’aigua, el metà i altres exclusivament antropogènics, absorbeixen la radiació i el resultat és que l’atmosfera s’escalfa encara més.

Figura 1. Increment de la temperatura mitjana global respecte l’inici del segle XX (tret de GISTEMP).

 

Aquest escalfament global és especialment manifest a l’Àrtida. Els increments de temperatura son més elevats a les latituds nòrdiques, especialment als 60-70º N, on aquest desembre passat (Figura 2) han arribat a ser fins 9ºC superiors a la mitjana en grans extensions del nord d’Amèrica i Euràsia. És el que s’anomena amplificació d’escalfament polar (PWA, Polar Warming Amplification). La causa d’aquest sobreescalfament de l’Àrtida respecte la resta de la Terra en part és degut a la pèrdua de neu i gel (un efecte retroactiu, com un peix que es mossega la cua) perquè la major superfície de terra i aigua absorbeix més energia solar que el blanc del gel (efecte albedo), però també s’està veient que el PWA és degut en part al transport dinàmic atmosfèric, que transporta energia tèrmica i núvols des de les regions subtropicals cap al nord (Taylor et al 2013).

Figura 2. Anomalia tèrmica registrada aquest desembre 2015 respecte la mitjana 1951-1980 (tret de GISTEMP).

 

A banda de les conseqüències que aquest escalfament està tenint sobre el gel de l’Àrtic que tot seguit comentarem, un altre problema greu és la fosa del permagel (permafrost), ja que aleshores s’allibera el gas metà atrapat sota el terra gelat, i les quantitats ingents de metà alliberat, com a gas d’efecte hivernacle, contribuiran encara més a accelerar l’escalfament global.

 

Cada cop menys gel a l’Àrtic

Les tendències linears de l’extensió del gel marí o banquisa de l’Àrtic des del 1979 fins ara són negatives any rere any, per a qualsevol mes que es consideri, però és més manifest comparant els setembres, al final de l’estiu quan es va fonent la banquisa (Figura 3). Dels aproximadament 7 milions km² mínims del setembre (el màxim al mars són uns 16 milions), s’han fos uns 100.000 km² per any, quasi un 9% cada 10 anys (Serreze et al 2007), de tal manera que ara hi ha pràcticament la meitat que el 1979 (Figura 4).

Figura 3. Comparació de l’extensió de la banquisa (en color roig) de setembre 1979 amb la de 2012 (tret de The Cryosphere Today).

Figura 4. Extensió mitjana mensual del mar de gel àrtic des de 1979 (Reeves et al 2013).

 

A més de la reducció en superfície de la banquisa, cal tenir en compte la reducció en volum, que representa que actualment és un terç del que hi havia el setembre 1979.

Hi ha una gran diferència entre els diferents models de predicció sobre la desaparició del mar de gel àrtic. La meitat d’ells en preveuen la total o pràctica desaparició el setembre del 2100. Les prediccions es mouen des del setembre del 2040 les menys optimistes, fins ben passat el 2100 les altres (Serreze et al 2007).

Uns altres problemes derivats de la desaparició de la banquisa són per un costat el trànsit de vaixells, que podrien escurçar distàncies dels trajectes entre els ports dels països septentrionals, i per un altre costat l’explotació de camps petrolífers i altres combustibles fòssils i minerals, ja que a l’Àrtida hi ha una bona part de les reserves mundials (Figura 5).

Figura 5. Esquerra: previsió de les rutes de vaixells de mar obert (en blau) i per a trencaglaços mitjans (en vermell) per a 2040-2059. Dreta: Distribució de les principals reserves de petroli i gas, tant les regions possibles (groc), com les llicències (vermell) i els pous en explotació o per explotar (negre). La línia discontínua senyala el límit CAFF de conservació de fauna i flor àrtica declarada pel Grup de Treball del Consell Àrtic (www.arctic-council.org). Imatges de Reeves et al 2013.

 

Conseqüències ecològiques de la desaparició de la banquisa de gel àrtic

Hi ha molts organismes vinculats a la banquisa. Els óssos blancs vagaregen sobre la banquisa àrtica, per la qual cosa es tem pel seu destí, i molts peixos, foques i crustacis (krill) formen una cadena tròfica que arrenca de les algues que creixen sota el glaç, en un ambient molt constant i enriquit en nutrients, especialment favorable per a la vida marina (Figura 6 A). La banquisa flotant a l’estiu és un corredor de dispersió de vertebrats terrestres (les guineus àrtiques per exemple) i plantes.

La progressiva desaparició de la banquisa i l’escalfament a la costa àrtica comporta una sèrie de desequilibris ecològics (Figura 6 B). Veiem per exemple com les morses obligades a romandre agrupades a terra tenen més predisposició de transmissió de malalties. La pèrdua de banquisa disminueix els corredors de dispersió i aleshores les poblacions terrestres queden més aïllades, amb la qual cosa es restringeix el flux genètic. Els óssos polars i altres predadors que cacen a la banquisa ho tenen molt més difícil i les seves poblacions perillen. La productivitat del fitoplàncton disminueix notablement, amb la qual cosa es redueix el zooplàncton, i aleshores tota la cadena tròfica (peixos, foques, etc.) es veu afectada (Post et al 2013).

Figura 6. Interaccions ecològiques influïdes pel gel marí. A: La distribució i estacionalitat de la banquisa influeix en l’abundància, distribució i interaccions de tot l’ecosistema en equilibri. B: La major durada del període sense gel i la menor extensió de la banquisa tenen conseqüències nefastes en l’equilibri de l’ecosistema (Post et al 2013).

 

L’ós blanc es busca la vida

L’ós blanc o polar (Ursus maritimus) es considera un animal en perill d’extinció. Només en queden uns 25.000 exemplars en tot el món. L’impacte del canvi climàtic afecta al seu hàbitat exclusiu de les regions polars i les previsions apunten que amb pocs anys el gel de la banquisa àrtica es pot fondre permanentment i l’ós polar pot extingir-se a causa de l’escalfament de la zona.

L’ós blanc és bàsicament carnívor, a diferència dels altres óssos com els bruns, i subsisteix sobretot caçant foques a la banquisa. Amb la desaparició progressiva del gel, té més problemes per trobar preses, i alguns han començat a aprendre a agafar els salmons dels rius, com veiem a les imatges (Figura 7).

Figura 7. Ós blanc dedicant-se a la pesca de salmons per tal de subsistir (www.youtube.com/watch?v=9m_Q9Ojbcmw).

 

També s’han vist grups d’óssos blancs en alta mar pescant (vegeu el vídeo) capbussant-se i emergint alternativament igual que si fossin dofins o marsopes. Malgrat aquestes petites adaptacions, aquesta alimentació és molt minsa i està clar que les seves poblacions estan minvant molt ràpidament.

 

Les orques prosperen cap al nord

La desaparició de la banquisa boreal és un canvi ecològic dràstic que està provocant la desaparició d’algunes espècies com l’ós blanc, però amb aquests desequilibris curiosament algunes altres espècies en surten beneficiades. És el cas de l’orca (Orcinus orca), que està prosperant cada cop més al nord (Figura 8).

Figura 8. Llocs (senyalats amb números) de l’Àrtic canadenc on s’han fotografiat grups d’orques repetidament entre 2004 i 2009 (Young et al 2011).

 

Els esquimals inuit, habitants de tot l’Àrtic americà (des del Quebec a Alaska incloent la badia de Hudson i les illes adjacents) i la costa occidental de Groenlàndia, són els primers testimonis des de mitjans del segle XX de l’observació d’orques en les seves aigües, desconegudes abans. A més a més, aquests darrers anys els científics n’han fet nombrosos albiraments, s’han fotografiat individualment (Young et al 2011) i s’han seguit els seus recorreguts mitjançant bioacústica (Ferguson et al 2010) i altres tècniques.

Figura 9. (Dalt): Narvals amb el característic gran ullal que donà lloc al mite de l’unicorn. (Baix): Grup d’orques atacant els narvals arraconats a la platja. Vegeu el vídeo de PBS Nature.

Des de fa uns anys els atacs de les orques sobre els narvals (com a la Figura 9) han estat observats repetidament pels esquimals inuits i estudiats en detall per diversos científics. Laidre et al (2006) observaren que abans d’acostar-se les orques, els narvals tendeixen a agrupar-se i nadar més silenciosament i molt a prop de la platja, en aigües poc fondes. Durant l’atac, els narvals es dispersen notablement però tanmateix, la mortalitat és molt elevada. Després de la depredació, que pot durar algunes hores, s’han observat taques olioses a la superfície marina provinents del greix dels narvals depredats (Figura 10).

Figura 10. Grup d’orques envoltades per taques d’oli a la superfície marina, provinents del greix dels narvals que han depredat (Laidre et al 2006).

Els atacs de les orques sobre els narvals són tan freqüents i eficaços que ja comencen a afectar la seva població. Els efectes encara són pitjors en altres cetacis amb menor població com les balenes de Groenlàndia (Balena mysticetus, bowhead), que pràcticament ja són en extinció. (Figura 11).

Figura 11. Esquema de les proporcions de preses d’un grup d’orques de la badia de Hudson (Ferguson et al 2010).

 

En conclusió, el canvi climàtic antropogènic està afectant severament l’ecosistema àrtic (i tots els altres), i malgrat que se’n va prenent consciència, les mesures polítiques efectives per disminuir les emissions del CO₂ i altres gasos hivernacle són tan minses, que difícilment arribaran a temps. Estem portant al planeta Terra a una extinció massiva d’espècies i uns canvis ecològics mai vistos en la història dels humans.

La imatge ho diu tot: l’ós blanc o polar s’està quedant sense hàbitat.

 

Bibliografia

Arctic Council: http://www.arctic-council.org

Ferguson S.H., Higdon J.W. & Chmelnitsky E.G. (2010) The rise of killer whales as a major Arctic predator. In S.H. Ferguson, et al. (eds.): A little less Arctic: top predators in the world’s largest northern inland sea, Hudson Bay. Pp. 117–136. New York: Springer

GISTEMP, Goddard Institute for Space Studies Surface Temperature Analysis (NASA-GISS): http://data.giss.nasa.gov/gistemp/

Hawkings E (2014) nov 28: http://www.climate-lab-book.ac.uk/2014/hiatuses-in-the-rise-of-temperature/

Laidre KL, Heide-Jørgensen MP, Orr J (2006) Reactions of narwhals, Monodon monoceros, to killer whale, Orcinus orca, attacks in the Eastern Canadian Arctic. Can. Field Nat., 120, 457–465

Morell V (2012) Killer whale menu finally revealed. http://www.sciencemag.org/news/2012/01/killer-whale-menu-finally-revealed

PBS Nature: http://www.pbs.org/wnet/nature/invasion-killer-whales-killer-whales-attack-pod-narwhals/11165/

Post et al. (2013) Ecological Consequences of Sea-Ice Decline. Science. DOI: 10.1126/science.1235225: http://www.carbonbrief.org/knock-on-effects-for-wildlife-as-the-arctic-loses-ice

Reeves RR et al (2014) Distribution of endemic cetaceans in relation to hydrocarbon development and commercial shipping in a warming arctic. Marine Policy 44, 375-389

Serreze MC, Holland MM, Stroeve J (2007) Perspectives on the Arctic’s shrinking sea-ice cover. Science 315, 5818, 1533–6.

Taylor PC, Cai M, Hu A, Meehl J, Washington W, Zhang GJ (2013) Decomposition of feedback contributions to Polar Warming Amplification. J Climate 26, 7023-43

The Cryosphere Today: http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/

Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Climate_change

Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Arctic

Young BG, Jeff W. Higdon JW, Steven H. Ferguson SH (2011) Killer whale (Orcinus orca) photo-identification in the eastern Canadian Arctic. Polar Research Vol 30

Els bacteris troposfèrics de la pluja i la neu

Click here for the english version: The tropospheric bacteria of rain and snow

Cada cop hi ha més proves científiques que els bacteris que es troben a l’alta troposfera (8-15 km) podrien influir en la densitat dels núvols i la pluja.

Bé, primer cal recordar que la troposfera és la part baixa de l’atmosfera, i els 8-15 km són l’alta troposfera, ja quasi a la tropopausa que limita amb l’estratosfera, per damunt l’Everest i per on volen més alt els avions. És aquí on són alguns dels núvols més alts.

Les capes de l’atmosfera terrestre (www.theozonehole.com/atmosphere)

Doncs en un estudi recent (DeLeón-Rodríguez et al, 2013) s’ha vist que els bacteris viables (per PCR quantitativa i microscòpia d’epifluorescència) a uns 10 km d’alçada (mostres preses damunt el mar Carib i l’Atlàntic occidental) representen un 20% de les partícules totals de mides entre 0,25 i 1 mm, i que són almenys 10 cops més abundants que els fongs, amb uns nombres de 10⁵ per m³, amb un 60% de viables. Això suggereix que els bacteris són una fracció important i subestimada de les micropartícules dels aerosols atmosfèrics, fins i tot en majors concentracions que a menors alçades. Els autors han analitzat els bacteris presents per piroseqüenciació (Roche 454) dels gens rRNA. Han vist que el microbioma troposfèric té una bona varietat de taxons bacterians i que varien dinàmicament segons les turbulències atmosfèriques i en presència d’huracans. Alguns dels bacteris trobats més abundants són els que utilitzen compostos C1-C4 (l’oxàlic per ex.) presents a l’atmosfera, per tant aquests bacteris són metabòlicament actius a aquestes alçades. Això reforça la idea del paper actiu dels bacteris a la troposfera, i que no són tan sols espores (fúngiques) inerts surant per l’aire.

En aquest sentit, aquest anàlisi metagenòmic també confirma la presència dels bacteris que tenen capacitat de catalitzar la formació de cristalls de gel i per tant la condensació dels núvols.  Aquest procés de nucleació (ice nucleation, IN) té lloc quan les molècules d’aigua presenten coalescència al voltant d’una partícula llavor, per exemple de pols. En funció de la temperatura, aquests complexos poden créixer fins esdevenir gotes d’aigua o de gel, que porten a la formació de la pluja o la neu. Tenint en compte que a l’alta troposfera les partícules de pols són escasses, es fa evident el paper rellevant dels bacteris en aquest fenomen.

Un dels papers clau en la nucleació de gel (IN) per part dels bacteris és que catalitzen la formació de gel a temperatures properes a 0ºC, a diferència de la formació de nuclis de gel per part de les partícules inorgàniques, que ho fa a temperatures més baixes, per sota de -10ºC, i sense cap partícula que faci de nucli l’aigua ultra-pura es congela a -40ºC.

La nucleació de gel pels bacteris s’ha reproduït al laboratori (Christner et al, 2008) amb mostres de pluja i de neu de diferents llocs del món (Canadà, USA, Pirineus, Alps i Antàrtida), demostrant que a les mostres tractades amb lisozima (que hidrolitza la paret cel·lular bacteriana) o tractades amb calor, es reduïa quasi al 100% l’activitat de IN a una temperatura de -5ºC. Per tant, els bacteris són els responsables de la IN a aquestes temperatures relativament altes.

Els bacteris més freqüentment associats amb l’activitat IN són espècies associades a plantes com Pseudomonas syringae o Xanthomonas campestris, que a més sovint han estat detectats als aerosols atmosfèrics i als núvols. També s’han trobat P. syringae dins les pedres de gel de les pedregades.

Pseudomonas syringae (www.forestry.gov.uk)

El fenomen de la IN per P. syringae ja fou observat el 1974 (Maki et al) i després s’ha demostrat (Gurian-Sherman & Lindow 1993) que les soques IN d’aquesta i altres espècies tenen a la membrana externa de la paret cel·lular, com a element actiu IN, una proteïna d’uns 180 kDa, composta de repeticions d’un octapèptid consens. Aquesta proteïna forma una disposició planar que atrapa molècules d’aigua produint un motlle per a la formació de gel.

Aquesta característica fa que aquests bacteris siguin els principals responsables dels danys per glaçades en les plantes, a banda que P. syringae és patogen de moltes plantes a temperatura ambient, per la producció d’un compost (coronatina) que fa mantenir els estomes oberts, provocant la invasió bacteriana dels teixits vegetals (Nigel Chaffey, 2012).

Fulla de tomaquera infectada per Pseudomonas syringae (Alan Collmer, Cornell University/Wikimedia Commons)

Tornant al mal de les glaçades, la majoria de plantes poden aguantar fins a -5ºC sense gaire danys si no hi ha aquests bacteris, però la presència de bacteris formadors de proteïna IN com P. syringae, en nombres només de 1000 per g de vegetal, fa augmentar dràsticament els danys per congelació. Aquests danys també faciliten la penetració i infecció dels bacteris.

Planta glaçada (MO Plants & Maureen Gilmer)

Aquesta característica de nucleació de gel de P. syringae també és aprofitada per a la producció de neu artificial. Encara que aquesta es pot fabricar normalment només per l’expansió forçada de barreja d’aigua i aire pressuritzats en condicions adequades d’humitat i temperatura (per ex. ≤ 2ºC a 20% humitat, o ≤ -2ºC a 60%), la producció s’afavoreix amb l’addició d’agents de nucleació, que poden ser inorgànics, orgànics o la proteïna bacteriana esmentada.

Canons de neu (www.siemens.com)

Tornant als núvols, cal recordar que els bacteris no són ni molt menys els únics agents de la nucleació que donen lloc a la condensació de les gotes que donen lloc a la pluja o la neu. Els nuclis de condensació de núvols (Cloud Condensation Nuclei, CCN), o anomenats llavors de núvols poden ser molt diversos tipus de micropartícules, de mides al voltant de 0,1 – 1 mm. En condensar-se aquest aerosol de micropartícules forma gotes als núvols de 0,02 mm, que en caure donen gotes de pluja de 2 mm.

Les micropartícules són sobretot d’origen natural com la pols, sal marina, sulfats d’origen volcànic, o micropartícules orgàniques resultat de l’oxidació de compostos volàtils. Alguns d’aquests poden ser d’origen industrial, així com el sutge o altres partícules resultat de la combustió. Un altre origen biològic  important dels CCN són els aerosols de sulfats i metanosulfat produïts a partir del dimetilsulfur produït pel fitoplàncton dels oceans.

En qualsevol cas, i malgrat que la microbiologia atmosfèrica encara està a les beceroles, com hem vist cada cop hi ha més dades sobre la importància dels bacteris i altres microorganismes sobre la bioprecipitació de pluja i neu. Per conéixer millor el seu paper, cal anar més enllà de la descripció de l’abundància de microorganismes en l’atmosfera, i més cap a la comprensió de les propietats biològiques i fisicoquímiques dels processos de transport implicats. Això requerirà un enfoc interdisciplinari de disciplines tan aparentment diferents com l’oceanografia, la genètica bacteriana i la física de l’atmosfera, per exemple.

Imaginant-nos els bacteris (Pseudomonas syringae, foto: microbewiki.kenyon.edu) al mig dels núvols amenaçadors (foto: lanroca.wordpress.com)

Bibliografia

Chaffey N. (2012) COR, nice one, Mr Microbe !. AoB Blog.

Christner B. et al. (2008) Geographic, seasonal, and precipitation chemistry influence on the abundance and activity of biological ice nucleators in rain and snow. PNAS 105, 48, 18854-18859.

DeLeón-Rodríguez N. et al. (2013) Microbiome of the upper troposphere: species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. PNAS 110, 7, 2575-2580.

Gurian-Sherman D. & S.E. Lindow (1993) Bacterial ice nucleation: significance and molecular basis. FASEB J. 7, 14, 1338-1343.

Hardy J. (2008) The rain-making bacteria. Micro-Bytes.

http://microbialmodus.wordpress.com/tag/ice-nucleating-bacteria/

https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_condensation_nuclei

https://en.wikipedia.org/wiki/Snowmaking

Maki L.R. et al. (1974) Ice nucleation induced by Pseudomonas syringae. App!. Microbiol. 28, 456-460.

Morris C.E. et al. (2011) Microbiology and atmospheric processes: research challenges concerning the impact of airborne micro-organisms on the atmosphere and climate, Biogeosciences 8, 17-25