Окисление океана

Недавно в СМИ прошла новость о продолжающемся окислении мирового океана, и я взялся исследовать этот вопрос чуть глубже.
Меня заинтересовала параллель между человеческим организмом и колоссальным организмом планетарного масштаба — мировым океаном.
Начать можно с того, что вода является внутренней средой и того, и другого организмов. Именно в ней протекают жизненно важные химические процессы, и поэтому от качества этой среды зависит здоровье и качество жизни.

Многим читателям форума хорошо знакома Щелочная система оздоровления, основанная на научных воззрениях, популяризированных Петером Ентшурой и Иосифом Локампером, и затем обогащенных и развитых практиками.
Базовое утверждение этой системы состоит в том, что здоровье человека напрямую связано с кислотно-щелочным балансом в его организме. И кислоты, и щелочи участвуют в многообразных химических реакциях организма, и в нормальных условиях организм способен к сохранению баланса между кислотами и щелочами без потерь для себя.
Так вот, такой же способностью обладает мировой океан: его система саморегуляции способна восстановить нормальный для него баланс — конечно, если прекратить массированное окисляющее воздействие на него, о котором речь пойдет далее.
Кстати, параллель саморегуляции организма человека и водоёмов озвучивалась у нас уже давно.

Так вот, продолжим смысловую параллель.
Уровень pH крови человека в норме равен 7,35 — 7,45, это слабощелочное значение, то есть, смещенное в щелочную сторону от нейтрального уровня pH = 7,0.
Нормальный уровень pH океана равен 8,2.
Уровень pH околоплодных вод, в которых начинается жизнь человека, равен ~8,5 — вероятно, потому, что океан — это праматерь всего живого на Земле. И человек, и океан — это щелочные живые существа в том смысле, что их нормальная внутренняя среда — слабощелочная.
Это нормальное слабощелочное состояние среды и является состоянием кислотно-щелочного баланса.

Многочисленные действующие факторы современного мира приводят к закислению внутренней среды человеческого тела. А точнее говоря – к прокисанию. О нюансах терминов “закисление” и “прокисание” мы рассказывали у нас на форуме)
Среди этих закисляющих факторов — стрессы, загрязненная среда обитания, избыток газов, которые образуют кислоты при растворении в водной среде, бедные минералами продукты питания, медикаменты, «кислотные» удовольствия — кофе, мучное и сладкое, «шашлычок под коньячок», кола, сигареты… 
Закисляющие факторы, действующие на океан, во многом, схожи — загрязнение результатами деятельности человека, насыщение кислотообразующими газами, недостаточность минералов для нейтрализации избытка кислот.

Чтобы уменьшить количество растворенной кислоты, наше тело должно использовать минералы, то есть – металлы – натрий, калий, кальций, магний (все они, кстати, относятся к щелочным металлам).
Сначала используется запас, которым обладают буферные системы организма, они нужны именно для того, чтобы компенсировать колебания базовых параметров внутренний среды, в том числе – изменения кислотности (pH).
Когда ресурсы буферных систем обеднены, начинается изъятие минералов из тканей — сначала волосяных луковиц, костей, зубов, затем — из тканей внутренних органов.
Минералы, вступая в реакцию с кислотами, образуют соли, не обладающие агрессивной едкостью кислот, но обременяющие организм, потому что не выведенные почками соли откладываются в виде накоплений шлаков — сначала в соединительной и жировой ткани, затем — в конечностях, в затылочной области головы, вдоль позвоночника, позже — в виде отложений на стенках сосудов и камней в полостях, и, по мере заполнения этих «депо», отложения формируются всё ближе к жизненно важным органам — вплоть до клеток мозга.
Процесс этого шлаконакопления описан здесь.

То, что происходит в океанских водах, поразительно похоже — вплоть до буквального совпадения. Океан тоже имеет буферную систему – это реки, которые несут в него растворенные минералы. Когда их перестает хватать для нейтрализации кислот, начинается изъятие минералов из тканей морских обитателей.

Не удивительно, что и средства решения схожих проблем выглядят подобно.
Чтобы решить проблему, нужно найти её корень. Каждый человек, стремящийся к здоровью тела и души, должен взять на себя ответственность за свою жизнь и изменить свой образ жизни. Точно так же, человечество – и каждый разумный человек в отдельности – должны осознать свою ответственность за состояние планеты и прекратить хищническое избыточное потребление.
Если этого не произойдет, чисто технические меры не дадут долгосрочного эффекта.

Окисление океана иногда называют «проблемой-близнецом изменения климата», и не зря: окисление океана – это значительное и вредное последствие избытка углекислого газа в атмосфере, которое мы не видим и не ощущаем, потому что его последствия происходят под водой. По крайней мере, одна четверть углекислого газа (диоксид углерода, СО₂), образовавшегося при сжигании угля, нефти и газа не остается в воздухе и растворяется в океане. С начала индустриальной эры океан впитал около 525 миллиардов тонн СО₂ из атмосферы. В настоящее время океан принимает около 22 миллионов тонн углекислоты в день.

Сначала ученые думали, что поглощение океаном углекислоты может быть хорошей вещью, потому что поглощение оставляет меньше углекислого газа в воздухе, и планета меньше нагревается. Но в последнее десятилетие они поняли, что это замедление потепления происходит за счет изменения химии океана. Когда углекислый газ растворяется в морской воде, вода становится более кислой и уровень рН океана падает. Несмотря на то, что океан огромен, растворение в нем достаточно большого количества углекислого газа может иметь серьезные последствия. Только за последние 200 лет морская вода стала на 30 процентов более кислой (в такой степени возросло количество ионов водорода в воде). Это изменение произошло быстрее, чем любые другие известные изменения в химии океана в последние 50 миллионов лет.

Ученые ранее не беспокоились об этом процессе, они всегда предполагали, что реки доставляют в океан достаточно растворенных минеральных веществ, чтобы стабилизировать рН океана (мера того, насколько кислотным или щелочным является раствор, то есть океанская вода).
Ученые называют этот стабилизирующий эффект «буферным» (т.е. прямая параллель с нашим организмом).
Но большие количества углекислого газа растворяются в океане так быстро, что эта естественная буферизация не в состоянии догнать окисление, и рН поверхностных вод океана относительно быстро снижается. Поскольку эти поверхностные слои постепенно смешиваются с глубинными водами, изменению подвергается весь океан.

Такое относительно быстрое изменение химического состава океана не дает морской жизни, которая развивалась в течение миллионов лет в океане со стабильным рН, достаточно времени для адаптации. На самом деле, раковины некоторых животных уже растворяются в окисляющейся морской воде, и это только один из аспектов влияния окисления на жизнь океана. В целом, ожидается, что окисление будет иметь значительное и, в основном, негативное воздействие на морские экосистемы, хотя некоторые виды (особенно те, которые живут в устьях рек) находят способы адаптации к изменяющимся условиям.

Химические изменения мы можем предсказать, но биологические изменения гораздо менее предсказуемы.
Хотя ученые отслеживали изменения рН океана в течение более чем 30 лет, биологические исследования начались только в 2003 году, когда быстрый сдвиг pH привлек их внимание, и был впервые введен термин «окисление океана».
Мы знаем, что всё изменится, но мы не можем предсказать в деталях, как будут выглядеть эти изменения.
Некоторые организмы выживут или даже будут процветать в более кислых условиях, в то время как другие будут пытаться адаптироваться и даже могут вымереть.
Помимо утраты биологического разнообразия, окисление скажется на рыболовстве и рыбоводстве, угрожая продовольственной безопасности миллионов людей, а также туризму и другим экономическим активностям, связанным с морем.

ХИМИЯ ОКИСЛЕНИЯ

По своей сути, вопрос окисления океана – это несложная химия.
О том, что происходит, когда углекислый газ растворяется в морской воде, нужно знать две вещи. Во-первых, рН морской воды становится ниже, поскольку в ней появляется больше положительно заряженных ионов водорода (H⁺), и она становится более кислой. Во-вторых, этот процесс связывает карбонатные ионы (CO₃^-2) и делает их менее обильными – это те самые ионы, которые нужны кораллам, устрицам, мидиям и многим другим организмам, чтобы строить раковины и скелеты.

Окисляющийся океан

Этот график показывает рост уровня углекислого газа (СО2) в атмосфере, повышение уровня CO2 в океане, и уменьшение рН в воде у побережья Гавайских островов

Углекислый газ находится в атмосферном воздухе. Растения нуждаются в нём, чтобы расти, животные выдыхают его, когда они дышат. Но, благодаря сжиганию топлива людьми, в настоящее время в атмосфере больше углекислого газа, чем когда-либо в течение последних 15 миллионов лет.
Большая часть этого СО₂ накапливается в атмосфере и, поглощая тепло от солнца, создаёт “одеяло” вокруг планеты, повышая её температуру.
Но около 30 процентов углекислого газа растворяется в морской воде, где она не остается плавающими молекулами СО₂. Химические превращения расщепляют молекулы СО₂ на части и вновь собирают их с другими молекулами в новые соединения.

Когда вода (Н₂О) и СО₂ смешиваются, они объединяются и образуют угольную кислоту (H₂CO₃).
Угольная кислота является слабой по сравнению с некоторыми из известных кислот, которые расщепляют твердые вещества, такими как соляная кислота (основной ингредиент в желудочном соке, который расщепляет пищу в желудке) и серная кислота (основной ингредиент в автомобильных аккумуляторных батареях, капля которого может обжечь кожу). Более слабая угольная кислота не может действовать так же быстро, но она работает точно так же, как и все кислоты: она освобождает ионы водорода (H⁺), которые связываются с другими молекулами.

Та морская вода, которая имеет больше водородных ионов, является более кислой по определению, и она имеет более низкое значение рН.
В самом деле, определения терминов окисления — кислотности, Н⁺, рН — взаимосвязаны: кислотность описывает, сколько ионов Н⁺ содержится в растворе; кислота — это вещество, которое высвобождает в растворе ионы Н⁺; а рН является шкалой, которая используется для измерения концентрации ионов Н⁺ в растворе.

pH = 0 (ноль) соответствует концентрации ионов водорода, равной 1 моль на литр — это самый «кислый» уровень pH.
При «нейтральном» значении pH = 7 концентрация ионов водорода в 10 миллионов раз ниже.
А при самом «щелочном» (или, по-научному, «основном» ) значении pH, изображенном на этой шкале и равном 14, количество ионов водорода в том же объёме еще в 10 миллионов раз меньше, чем при «нейтральном» pH = 7.

Чем ниже значение рН, тем более кислым является раствор.
Шкала рН идет от предельно щелочного (основного) значения 14 (щёлок имеет рН = 13) до очень кислого значения 1 (лимонный сок имеет рН = 2).
При рН = 7 раствор является нейтральным (ни кислым, ни основным).
Сам океан, на самом деле, не кислый — он имеет рН выше 7, и он не станет кислым в обозримом будущем, даже с учетом всего CO₂, который в нём постоянно растворяется. Но изменения в сторону увеличения кислотности, тем не менее, очень значительны.

Примерно за 300 лет, истекших с начала промышленной революции, рН океана снизился с 8,2 до 8,1, и ожидается, что показатель рН упадет еще на 0,3 — 0,4 единицы до конца века.
Снижение рН на 0,1 может показаться не таким уж большим, но шкала рН, так же как шкала Рихтера, по которой измеряется сила землетрясений, является логарифмической.
Так, например, раствор с рН = 4 в десять раз более кислый, чем раствор с рН = 5, и в 100 раз более кислый, чем раствор с рН = 6.
Если мы продолжим добавлять углекислый газ нынешними темпами, то уровень рН морской воды может упасть еще на 120 процентов к концу этого века — до 7,8 или 7,7.
Этот океан будет более кислым, чем любой океан, существовавший на Земле в течение последних 20 миллионов лет или больше.

ПОЧЕМУ КИСЛОТНОСТЬ ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ

Кислотные воды растворяют раковины морских организмов и препятствуют их росту

Многие химические реакции, в том числе те, которые необходимы для жизни, чувствительны к небольшим изменениям рН.
У человека, например, нормальный рН крови колеблется между 7,35 и 7,45. Снижение рН крови на 0,2 – 0,3 может вызвать судороги, кому и даже смерть.
Аналогичным образом, небольшое изменение рН морской воды может оказать вредное воздействие на морскую жизнь, воздействуя на химическую коммуникацию, воспроизводство и рост.

Построение скелетов (раковин и панцирей) морских животных особенно чувствительно к кислотности.
Одна из молекул, которые связываются ионами водорода, это карбонат (CO₃^-2), один из ключевых компонентов карбоната кальция (СаСО₃), формирующего раковины.
Чтобы создать карбонат кальция, морские животные, строящие раковины – такие как кораллы и устрицы – сочетают ион кальция (Ca⁺²) с ионом карбоната (CO₃^-2) из окружающей морской воды, высвобождая в процессе углекислый газ и воду.

Как и ионы кальция, ионы водорода склонны к образованию связи с карбонатом, и они имеют большую привлекательность для карбоната, чем кальций. Когда два иона водорода связываются с карбонатом, образуется ион бикарбоната (2HCO₃^–). Организмы, строящие раковины, не могут извлечь ион карбоната, в котором они нуждаются, из бикарбоната. Они не могут использовать эти связанные ионы для выращивания своей новой раковины.
Таким образом, связывание водородом ионов карбоната затрудняет для животных, живущих в раковинах, постройку их “домов”.
Даже если животные будут способны построить скелеты в более кислой воде, им, возможно, придется потратить больше энергии, чтобы сделать это, забирая ресурсы от других видов деятельности, таких как воспроизводство.
Если в растворе будет слишком большое количество ионов водорода и недостаточное количество молекул, с которыми водород мог бы связаться, ионы водорода могут даже начать расщеплять существующие молекулы карбоната кальция, растворяя раковины, которые были созданы ранее.

Захват ионов карбоната ионами водорода с образованием ионов бикарбоната препятствует обогащению кальцием раковин и панцирей морских животных


Это только лишь один процесс, которому мешают избыточные ионы водорода, возникшие из-за растворения диоксида углерода в океане. Морские организмы должны, таким образом, научиться выживать в условиях, когда вода вокруг них имеет возрастающую концентрацию ионов водорода, захватывающих карбонат.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКИСЛЕНИЯ НА ЖИЗНЬ ОКЕАНА

РН океана колеблется в определенных пределах в результате естественных процессов, и океанические организмы хорошо приспособлены к выживанию в условиях этих изменений. Некоторые морские виды будут в состоянии адаптироваться к более экстремальным изменениям, но многие будут страдать, и, вероятно, некоторые вымрут. Мы не можем знать этого наверняка, но во время последнего большого окисления океана 55 миллионов лет назад произошло массовое вымирание некоторых видов, включая глубоководных беспозвоночных. Более кислый океан не разрушит всю морскую жизнь, но повышение кислотности морской воды на 30 процентов, как мы видели, уже затрагивает многие морские организмы.

Коралловые рифы

Ветвящиеся кораллы, имея более хрупкую структуру, борются за жизнь в подкисленной воде поблизости от природного источника двуокиси углерода, это модель будущего более кислого океана

Кораллы мастерят свои «дома» из карбоната кальция, образуя сложные рифы, которые обеспечивают среду обитания самих себя и для многих других морских организмов. Окисление может ограничить рост кораллов, разъедая скелеты уже существующих кораллов и одновременно замедляя рост новых.
Результатом станут более слабые рифы, которые будут более уязвимыми к эрозии.
Эта эрозия будет исходить не только от штормовых волн, но и от животных, которые роют в рифах норы или едят кораллы.
Недавнее исследование прогнозирует, что примерно к 2080 году условия океана будут настолько кислыми, что даже здоровые коралловые рифы будут разрушаться быстрее, чем они смогут восстанавливаться.

Окисление может также влиять на кораллы еще до того, как они начинают строить свои дома. Были изучены яйца и личинки нескольких видов кораллов, и более кислая вода не повредила их развитию, пока они существовали в виде планктона. Однако в кислой воде личинкам было сложнее найти хорошее место, чтобы обосноваться и начать строить жилище. Другими словами, некоторые из этих личинок не смогут перейти к взрослой жизни.

Насколько велики будут проблемы, с которыми столкнутся кораллы, будет зависеть от их вида. Некоторые виды кораллов могут использовать бикарбонат вместо карбоната чтобы строить свои скелеты, эта способность дает им больше возможностей в окисляющемся океане. Некоторые из них смогут выжить без скелета и вернуться к нормальному строительству после того, как вода возвратится к более подходящему рН. Другие виды могут справиться с более широким диапазоном рН.

Тем не менее, в следующем столетии мы увидим изменение в составе видов кораллов, образующих коралловые рифы, хотя мы не можем быть полностью уверены в том, как это изменение будет выглядеть.
В рифах Папуа – Новой Гвинеи, которые подвергаются воздействию природного углекислого газа, просачивающегося с морского дна, теперь преобладают колонии – «валуны», а тонкие ветвящиеся формы кораллов исчезли, вероятно, потому, что их тонкие ветви более восприимчивы к растворению.
Это изменение также может непредсказуемым образом повлиять на многие тысячи организмов, которые живут среди кораллов, в том числе — и тех, которые люди ловят и употребляют в пищу.
Окисление добавилось к ряду других негативных факторов, от которых страдают рифы — таких, как, например, потепление воды (создает еще одну угрозу для рифов, известную как обесцвечивание кораллов), загрязнение окружающей среды и избыточная ловля рыбы.

Устрицы, мидии, ежи и морские звезды

Охристые морские звезды питаются мидиями у побережья штата Орегон

В целом, морские животные, имеющие раковину, такие как мидии, моллюски, морские ежи и морские звезды, столкнутся с проблемами при формировании раковин в более кислой воде так же, как кораллы. К концу века мидии и устрицы будут выращивать раковины, меньшие нынешних, на 25 и на 10 процентов соответственно.
Ежи и морские звезды не так хорошо изучены, но они строят свои раковиноподобные оболочки из высокомагниевого кальцита (high-magnesium calcite), разновидности карбоната кальция, который растворяется еще быстрее, чем та форма карбоната кальция, которую используют кораллы. Это означает, что ежи и звезды будут иметь более слабую оболочку, и вероятность быть раздробленными или съеденными для них повысится.

Воздействия на эти организмы не ограничиваются влиянием на создание раковины. Биссусные нити мидий, которыми они лихо цепляются за камни в грохочущем прибое, не способны держаться в кислой воде. В то же время, личинки устриц не в состоянии даже начать рост своих оболочек. Первые 48 часов жизни личинок устриц – это период очень интенсивного роста, когда они должны быстро построить свои раковины, чтобы начать кормление. Но окисленная морская вода разъедает их оболочки быстрее, чем они могут их образовывать. Это явление уже привело к массовой гибели устриц на Тихоокеанском Северо-Западе США.

Это масштабное нарушение природных процессов, однако, не является всеобщим: исследования показали, что ракообразные (например, омары, крабы, креветки) выращивают еще более сильные оболочки при более высокой кислотности воды. Возможное объяснение – это иное устройство их панцирей. Кроме того, некоторые виды, возможно, уже адаптированы к более высокой кислотности или имеют возможность сделать это. Пример – фиолетовые морские ежи (хотя новое исследование показало, что личиночные ежи имеют проблемы с пищеварением при повышенной кислотности воды).

Конечно, потеря этих организмов будет иметь гораздо большее влияние на пищевую сеть, так как они являются пищей и средой обитания для многих других животных.

Зоопланктон

Эта пара морских бабочек порхает недалеко от поверхности Северного Ледовитого океана

Есть два основных типа зоопланктона (зоопланктон – это крошечные дрейфующие животные), которые строят свои оболочки из карбоната кальция: фораминиферы и птероподы.
Они очень невелики, но они являются крупными игроками в пищевых сетях океана, поскольку почти все животные большего размера питаются зоопланктоном или едят других животных, которые питаются зоопланктоном.
Они также имеют важное значение для углеродного цикла — процесса, в котором углерод (в форме диоксида углерода и карбоната кальция) перемещается между воздухом, землей и морем.
Океаны содержат наибольшее количество углерода, активно циркулирующего в мире, и океаны также очень важны для хранения углерода.
Когда раковинный зоопланктон (а также раковинный фитопланктон) умирает и опускается на морское дно, его раковины, состоящие из карбоната кальция, осаждаются в виде осадка или породы и сохраняются в таком виде надолго — на всё обозримое будущее. Это важный способ, которым углекислый газ удаляется из атмосферы, замедляя повышение температуры, вызванное парниковым эффектом.

Эти крошечные организмы размножаются так быстро, что они могут быть в состоянии адаптироваться к кислотности лучше, чем большие, медленно размножающиеся животные. Тем не менее, эксперименты в лаборатории и в областях океана, где существует двуокись углерода, просачивающаяся с морского дна (рН в таких областях низкий по природным причинам) обнаружили, что фораминиферы не очень хорошо справляются с повышенной кислотностью, потому что их оболочки быстро растворяются. Одно исследование даже предсказывает, что фораминиферы в тропических регионах вымрут к концу века.

Оболочки птероподов уже растворяются в Южном океане, где более кислая вода из морских глубин поднимается на поверхность, ускоряя эффекты закисления, вызванного диоксидом углерода человеческого происхождения.
Как и кораллы, эти морские улитки особенно восприимчивы к кислотности, потому что их оболочки построены из арагонита, менее стойкой формы карбоната кальция, растворимость которого в морской воде на 50% выше, чем у других форм.

Совершенно неизвестно, как повлияет окисление на медуз. В этом случае, есть опасение, что они выживут и останутся невредимыми. Медузы конкурируют с рыбой и другими хищниками за пищу, главным образом за зоопланктон, и они также едят мальков рыб. Если медузы будут процветать в теплых и более кислых условиях, в то время как большинство других организмов будет страдать, вполне возможно, что медузы будут доминировать в некоторых экосистемах (эта проблема уже наблюдается в некоторых частях океана).

Растения и Водоросли

Нептун трава – медленно растущая и долгоживущая морская водоросль, произрастающая в Средиземноморье

Растения и многие водоросли могут процветать в кислотных условиях. Эти организмы производят энергию от сочетания солнечного света и двуокиси углерода, и поэтому возрастание концентрации двуокиси углерода в воде не вредит им, а помогает.

Морская трава образует мелководные экосистемы вдоль берегов, которые служат питомниками для многих крупных рыб и могут быть домом для тысяч различных организмов.
При более кислых лабораторных условиях, морская трава лучше воспроизводилась, выше росла, формировала более глубокие корни.
Тем не менее, в природе морская трава чувствует себя гораздо хуже из-за ряда других причин, особенно из-за загрязнения прибрежных морских вод, и маловероятно, что этот импульс от подкисления скомпенсирует полностью вред, вызванных другими стрессами.

Некоторые виды водорослей растут лучше в условиях повышенной кислотности, вызванной повышением содержания углекислого газа. Но коралловым водорослям, которые строят скелеты из карбоната кальция и помогают «цементировать» коралловые рифы, не так уж хорошо. Большинство видов коралловых водорослей строят оболочки из высокомагниевого кальцита – формы карбоната кальция, еще более растворимой, чем арагонит или другие формы кальцита. Одним исследованием установлено, что в условиях окисления коралловые водоросли покрывают на 92 процента меньше площади, чем в нормальных условиях, что даёт пространство другим типам водорослей – тем, которые не нуждаются в кальците, и это может буквально задушить коралловые рифы. Это вдвойне плохо, потому что личинки многих кораллов предпочитают селиться на коралловых водорослях, когда они готовы выйти из стадии планктона и начать жизнь на коралловом рифе.

Одна из основных групп фитопланктона (одноклеточные водоросли, которые плавают и растут в поверхностных водах), кокколитофоры, выращивают панцири. Ранние исследования показали, что, как и у других раковинных животных, их оболочки ослаблены, что делает их восприимчивыми к повреждениям. Но в другом более долгосрочном исследовании, занявшем 12 полных месяцев, кокколитофоры прошли около 700 циклов воспроизведения в более теплых и более кислых условиях, которые, как ожидается, станут реальностью через 100 лет. Популяция смогла приспособиться, выращивая более крепкие панцири. Может быть, им просто нужно больше времени на адаптацию, или, может быть, адаптация видов варьируется от вида к виду или даже от популяции к популяции.

Рыба

Ярко-оранжевые рыбы-клоуны просовывают головы между щупальцами актиний

Хотя рыбы не имеют панцирей, они тоже будут ощущать последствия окисления.
Поскольку окружающая вода будет иметь более низкий рН, клетки рыбы будут приходить в равновесие с морской водой, принимая в себя угольную кислоту. Это приведет к изменению рН крови рыбы, к состоянию, именуемому ацидозом.

Несмотря на то, что рыба будет пребывать в гармонии с окисленной окружающей средой, многие из химических реакций, которые происходят в её организме, изменятся.
Небольшое изменение рН может иметь огромное значение для выживания. У человека, например, падение рН артериальной крови на 0,2-0,3 единицы может вызвать судороги, кому и даже смерть.
Точно так же, организмы рыб чувствительны к рН, и они должны будут приложить сверхусилия, чтобы вернуть свою химию в нормальное русло. Для этого они должны будут затратить дополнительную энергию, чтобы вывести из крови избыток кислоты через жабры, почки и кишечник.
Может показаться, что этот процесс не будет стоить таких уж высоких энергозатрат, но даже небольшое их увеличение оставит рыбам меньше энергии на множество других задач, таких как переваривание пищи, бегство от хищников, добывание пищи и размножение. Дополнительные затраты энергии также могут замедлить рост рыбы.

Даже ненамного более кислая вода может повлиять на умственные способности рыб. В то время как, например, рыбы-клоуны в нормальных условиях слышат и избегают шумных хищников, в более кислой воде они не убегают от угрожающего шума. Рыбы-клоуны также отплывают дальше от дома, и им труднее «унюхать» свой обратный путь. Это может происходить из-за того, что окисление, которое изменяет рН тела и мозга рыбы, может изменить способ обработки информации мозгом.
Кроме того, у кобий (это разновидность популярной промысловой рыбы) в окисленной воде вырастают большие отолиты – кости уха, которые влияют на слух и способность к сохранению равновесия. Эти изменения могут повлиять на их способность ориентироваться и уходить от преследования хищником. Хотя еще многое предстоит изучить, эти данные свидетельствуют о происходящих непредсказуемых изменениях в поведении животных в связи с окислением среды их обитания.

Способность адаптироваться к более высокой кислотности будет отличаться от вида к виду рыб, и мы не знаем заранее, какие качества помогут или повредят адаптации. Смена доминирующих видов рыб может иметь серьезные последствия для пищевой сети и для рыболовства.

ИЗУЧЕНИЕ ОКИСЛЕНИЯ

Изучение прошедших эпох

Геологи изучают потенциальные воздействия окисления, буквально вкапываясь в прошлое Земли, в те его периоды, когда концентрация двуокиси углерода в океане и его температура были аналогичны условиям, существующим сегодня.
Один из способов заключается в изучении образцов почвы и пород, взятых с поверхности и из глубин земной коры, из слоев, сформировавшихся 65 миллионов лет назад.
Химический состав пород в кернах, взятых из глубоких скважин, пробуренных в дне океана, показывает, что сегодняшний высокий уровень углекислого газа наблюдался в атмосфере Земли 35 миллионов лет назад. Но чтобы предсказать будущее – то, как Земля могла бы выглядеть в конце века – геологи должны оглянуться еще на 20 миллионов лет назад.


Археолог расставляет керны – образцы глубокого морского дна, взятые у берегов Великобритании

Около 55,8 млн лет назад огромное количество углекислого газа было выпущено в атмосферу, и температура выросла примерно на 5 градусов Цельсия. Это был период, известный как тепловой максимум Палеоцена – Эоцена. Ученые до сих пор не знают, почему это произошло, но есть несколько возможных вариантов: интенсивная вулканическая активность и разрушение океанических осадочных пород, или очень обширные пожары, в которых сгорели леса, торф и уголь. Как и сегодня, рН глубинных вод океана быстро упал, а уровень углекислого газа резко возрос, явившись причиной внезапного «события растворения», в котором исчезло так много панцирной морской жизни, что донный осадок изменился от преимущественно белого карбонатно-кальциевого «мела» до грязи красно-коричневого цвета.

Глядя еще дальше – около 300 миллионов лет назад – геологи видят ряд изменений, которые имеют общие черты с окислением океана, вызванным деятельностью современного человека, в том числе – почти полное исчезновение коралловых рифов. Однако, события прошлого не воспроизводят в точности условия, которые мы видим сегодня. Основное отличие состоит в том, что сегодня уровень СО₂ растет с беспрецедентной скоростью – даже быстрее, чем во время теплового максимума Палеоцена – Эоцена.

В лаборатории

Армин Форм, учёный из центра океанических исследований GEOMAR, работает в своей лаборатории в ходе длительного эксперимента по изучению воздействия пониженного рН, высоких температур и «пищевого стресса» на кораллы, Lophelia Pertusa, обитающие в холодной воде

Другой способ изучить, как морские организмы в современном океане могут реагировать на более кислую морскую воду – это проведение контролируемых лабораторных экспериментов.
Исследователи помещают организмы в баки с водой с различным уровнем рН, чтобы увидеть, как они живут и адаптируются ли они к условиям, в которые помещены.
Они не просто следят за способностью к созданию панцирных оболочек, исследователи также изучают поведение, использование энергии, иммунный ответ и успешность репродукции морских обитателей. Они также следят за разными этапами жизни одного и того же вида, потому что иногда взрослая особь способна легко адаптироваться, но молодые личинки – нет, или наоборот.
Изучение совместного действия окисления с другими факторами стресса, такими как потепление и загрязнение окружающей среды, также имеет важное значение, поскольку окисление – не единственный способ, которым люди изменяют океаны.

В дикой природе, однако, эти водоросли, растения и животные не живут в изоляции: они являются частью сообщества множества организмов.
Некоторые исследователи изучили в лаборатории влияние окисления на взаимодействия между видами, часто – между добычей и хищником. Результаты сложны. В более кислой морской воде береговая улитка создает более слабую раковину и хуже избегает крабов-хищников, но она также может тратить меньше времени на поиски пищи. Сверлящие губки быстрее бурят коралловые скелеты и оболочки гребешков. А взрослые личинки черно-плавниковой рыбы-клоуна перестают различать хищников и не-хищников по запаху, и даже привлекаются к хищникам.

Хотя в настоящее время скорость окисления океана выше, чем в прошлом, всё же оно не происходит единым махом. Поэтому краткосрочные исследования воздействия окисления могут не раскрыть потенциала постепенной акклиматизации и адаптации к снижению рН океана, существующего для некоторых популяций и видов. Например, глубоководный коралл Lophelia Pertusa показывает значительное снижение в своей способности к поддержанию своего кальциево-карбонатного скелета в течение первой недели воздействия пониженного рН. Но после шести месяцев в подкисленной морской воде кораллы приспособились к новым условиям и возвращаются к нормальной скорости роста.

Природные вариации

 
У берегов Папуа – Новой Гвинеи пузырьки углекислого газа поднимаются из вулканических жерл в рифе. Избыток углекислого газа растворяется в окружающей морской воде, что делает воду более кислой – такой, какую мы ожидаем увидеть в будущем из-за сжигания ископаемого топлива

Есть места, разбросанные по всему океану, где вода, насыщенная углекислым газом, поднимается из вулканических жерл, понижая уровень рН в окружающих водах. Ученые изучают эти необычные районы в поисках ключей к тому, как будет выглядеть окисленный океан будущего.

Исследователи, работающие у берегов Италии, сравнили способность 79 видов донных беспозвоночных селиться в районах, удаленных на различное расстояние от донных источников углекислого газа. Для большинства видов, в том числе – червей, моллюсков и ракообразных, чем ближе к жерлу (и чем кислее вода), тем меньшее количество особей было способно заселить область или выжить в ней. Водоросли и животные, которые нуждаются в обилии карбоната кальция, такие как рифообразующие кораллы, улитки, моллюски, морские ежи и коралловые водоросли, отсутствовали или были гораздо менее распространены в подкисленной воде. Там преобладали плотные заросли морской травы и бурых водорослей. Только один вид, многощетинковые черви полихеты, размножился в воде со сниженным уровнем рН.
Воздействие просачивающегося углекислого газа на коралловые рифы в Папуа-Новой Гвинее было также значительным. Большие кораллы – валуны заменили собой сложные ветвящиеся формы, а в некоторых местах кораллы были полностью замещены песком, щебнем и зарослями водорослей.

Все эти исследования дают убедительные доказательства того, что окисленный океан будет довольно сильно отличаться от современного океана. Некоторые виды не сдадут позиции, численность других уменьшится, или они вымрут вовсе, и в целом океан больше не будет обладать тем разнообразием видов, от которого мы зависим.

Полевые эксперименты

Наполняя огромные пробирки высотой 60 футов и объемом почти 15 000 галлонов, исследователи изучают, как зоопланктон, фитопланктон и другие мелкие организмы будут адаптироваться к более кислой воде в дикой природе

Одна из проблем изучения окисления в лаборатории состоит в том, что вы можете реально смотреть только на пару биологических видов одновременно. Для изучения целых экосистем с учетом многих других экологических эффектов, таких как потепление, загрязнение окружающей среды и истощение рыбных запасов, ученым нужно проводить полевые исследования.

Крупнейший идущий в настоящее время полевой эксперимент, изучающий окисление, – это проект «Биологическое воздействие окисления океана» (Biological Impacts of Ocean Acidification – BIOACID). Ученые из пяти европейских стран построили десять мезокосмов – по существу, гигантских пробирок высотой 60 футов, вмещающих почти 15 тысяч галлонов воды, и поместили их в шведском фьорде Gullmar. Позволив планктону и другим крошечным организмам вплыть в пробирки, исследователи запечатали их и снизили в половине из них рН до 7,8, ожидаемой кислотности океана в 2100 году. Теперь они ждут, чтобы увидеть, как организмы будут реагировать, и будут ли они способны адаптироваться. Если этот эксперимент, один из первых в своем роде, станет успешным, он может быть повторен в различных океанских районах по всему миру.

ГЛЯДЯ В БУДУЩЕЕ

Если количество углекислого газа в атмосфере стабилизируется, то, в конечном счете, произойдет его буферизация (или нейтрализация), и рН океана возвратится к нормальному.
Вот почему в прошлом были периоды с гораздо более высоким уровнем углекислого газа, но нет доказательств одновременного окисления океана: темп роста количества диоксида углерода был не столь высок, поэтому океан имел время для буферизации и адаптации. Но на этот раз рН падает слишком быстро. Буферизация займет тысячи лет, это слишком долгий период времени для морских организмов, страдающих в настоящее время и в ближайшем будущем.

Пока что человеку видно немного признаков окисления. Но они будут только расти по мере того, как всё больше углекислого газа растворяется в морской воде. Что мы можем сделать, чтобы остановить это?

Ограничение выбросов углерода 


Когда мы используем ископаемые виды топлива, питая энергией наши автомобили, дома и предприятия, мы наполняем атмосферу улавливающим тепло углекислым газом

В 2013 году содержание двуокиси углерода в атмосфере превысило 400 частей на миллион – это выше, чем когда-либо в течение последнего миллиона лет (а может быть, даже 25 миллионов лет). «Безопасный» уровень углекислого газа составляет около 350 частей на миллион, эту отметку мы прошли в 1988 году. Если бы не поглощение углекислоты океаном, содержание двуокиси углерода в атмосфере было бы ещё выше, ближе к 475 частям на миллион.

Наиболее реалистичный способ уменьшить это число или хотя бы сдержать его от достижения астрономически высокого значения – сократить выбросы углерода, сжигая меньше ископаемого топлива и создать больше поглотителей углерода, таких как мангровые заросли, заросли морской травы и травянистые болота. Эта инициатива известна как Blue Carbon. Если мы сделаем это, то через сотни тысяч лет углекислый газ в атмосфере и океане снова стабилизируется.

Даже если мы прекратим производить углекислый газ прямо сейчас, окисление океана не закончится немедленно. Это происходит потому, что существует разрыв между изменением объемов выбросов и временем, когда мы начинаем ощущать последствия. Это все равно что сделать короткую остановку во время вождения автомобиля: даже если вы резко нажмете на тормоз, автомобиль все равно проедет десятки или сотни метров до остановки. То же самое происходит и с выбросами – климат будет продолжать меняться, атмосфера будет продолжать нагреваться и океан будет продолжать окисляться. Диоксид углерода обычно остается в атмосфере в течение сотен лет. В океане этот эффект усиливается, поскольку окисленные воды океана смешиваются с глубокой водой в течение цикла, который тоже длится сотни лет.

Геоинжиниринг

Яркие завитки синего и зеленого цвета – это цветение фитопланктона в Баренцевом море, видимое из космоса

Вполне возможно, что мы разработаем технологии, которые смогут помочь нам уменьшить содержание углекислого газа в атмосфере или кислотность океана быстрее или без необходимости резкого сокращения выбросов углекислого газа. Поскольку такие решения требуют от нас сознательного управления планетарной системой и биосферой (через атмосферу, океан или другие природные системы), такие решения сгруппированы под названием «Геоинжиниринг».

Основной эффект от увеличения количества углекислого газа, который тяготеет над умами людей, это потепление планеты. Некоторые геоинжиниринговые предложения решают эту проблему при помощи различных способов, отражающих солнечный свет – и, таким образом, избыточное тепло – обратно в космос из атмосферы. Это может быть сделано путем высвобождения частиц в верхних слоях атмосферы, которые будут действовать как крошечные зеркала, или даже за счет размещения гигантского зеркала на орбите! Однако это решение не сделает ничего для удаления углекислого газа из атмосферы, и этот углекислый газ будет продолжать растворяться в океане и вызывать окисление.

Другая идея состоит в том, чтобы удалить углекислый газ из атмосферы, выращивая больше организмов, которые его используют его – фитопланктон. Добавление железа или других удобрений в океан может привести к образованию техногенного фитопланктона. Этот фитопланктон будет поглощать углекислый газ из атмосферы, а затем, после смерти, опустится на дно и будет удерживать его в глубине моря. Однако, неизвестно, как это скажется на морской пищевой сети, которая зависит от фитопланктона, и не станут ли от этого глубинные воды более кислыми.

Что можем сделать мы?

Молодые люди в Малайзии собрались вместе, чтобы позаботиться о береговой линии

Несмотря на то, океан кажется находящимся далеко от вашего жилища, существуют вещи, которые мы можем сделать в нашей повседневной жизни и которые могут помочь замедлить выбросы углекислого газа и окисление океана.

Самое лучшее, что мы можем сделать – это попытаться снизить количество углекислого газа, которое мы используем каждый день.
Можно попробовать уменьшить потребление энергии в домашних условиях, отключив неиспользуемые огни. Ходить или ездить на велосипеде на короткие расстояния вместо езды на автомобиле. Использовать общественный транспорт. Поддерживать экологически чистую энергию, такую как солнечная и геотермальная энергия, энергия ветра. Даже простая проверка давления в шинах может снизить потребление топлива и уменьшить воздействие на среду обитания.

Одна из самых важных вещей, которую мы можем сделать – это рассказать окружающим об окислении океана. Поскольку ученые заметили эту большую проблему сравнительно недавно, многие люди до сих пор не знают, что это происходит. Так что, стоит говорить об этом! Стоит прояснять окружающим то, как окисление будет влиять на удивительных океанских животных, которые обеспечивают питание, доход и красоту миллиардам людей во всем мире.

оригинал статьи