Kokolitofory - mali bohaterowie mórz i oceanów

Ostatnio sporo miejsca poświęca się CO₂. Już chyba nawet dzieci w przedszkolu wiedzą, że jest to gaz cieplarniany i że jego stężenie w atmosferze znacznie wzrosło w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Ekolodzy alarmują, że grozi nam globalne ocieplenie, a duże stężenie CO₂ w wodzie morskiej rozpuszcza wapienne szkielety koralowców, którym grozi zagłada. Jednak w tej wizji apokalipsy prawie wcale nie przedstawia się innych mieszkańców mórz i oceanów, którzy pełnią kluczową rolę (nie boję się tego słowa) w obiegu węgla w przyrodzie. Kokolitofory (Coccolithophores), bo o nich mowa, to tajemnicze morskie żyjątka, które wpływają na klimat na Ziemi bardziej niż Wam się wydaje. Kokolitofory w procesie fotosyntezy wychwytują dwutlenek węgla, ale jednocześnie w procesie biologicznego wytrącania węglanu wapnia uwalniają CO₂. To balansowanie pomiędzy wychwytywaniem a uwalnianiem ditlenku węgla jest częścią biologicznej pompy węgla. Ponieważ odbywa się to na olbrzymią skalę w oceanach, jest jednym z podstawowych czynników regulujących obieg CO₂, i węgla w ogólności, w przyrodzie.
Kokolitofory należą do samożywnych (autotroficznych) organizmów jednokomórkowych, które wymykają się popularnej taksonomii. Przyjęło się nazywać je glonami wapiennymi lub złotowiciowcami. Ale tak naprawdę nie należą do roślin. Różni je od nich typ chlorofilu. Rośliny mają zasadniczo chlorofil a i b, zaś kokolitofory a oraz c. Ponadto nie są zabarwione zielonym chloroplastem, lecz żółtawo-brązowawym barwnikiem zwanym fukoksantyną. Tego nie znajdziecie na wikipedii, więc dodam, że oprócz dwóch wici mają jeszcze jedną, tajemniczą antenkę zwaną haptonema.

Schemat budowy kokolitofora, widać dwie wici i haptonemę oraz chloroplast zabarwiony fukoksantyną. Te czarne ząbki na zewnątrz (ang. base plate scale) to kokolity budujące kokosferę (rys. Bown 1998)

Ponieważ są to organizmy jednokomórkowe, to na tym podstawowym poziomie złożoności, przyjęło się organizmy dzielić na Unikonta - te z jedną wicią; Bikonta - z dwiema wiciami; i Heterokonta - czyli dwie wici i  antenka (haptonema).

Jeśli nie możecie się odnaleźć w tym schemacie, to pomyślcie o ludzkim plemniku. Ma tylko jedną witkę. Czyli naszym dalekim przodkiem był jednokomórkowiec z grupy Unikonta. Do tej grupy należą też grzyby oraz takie tam amebowate i pokrewne.
Grupa Bikonta (nie mylić z popularnymi dziennikarzami) to wszelkiego rodzaju rośliny, otwornice, promienice itp.
A owe Heterkonta, to właśnie nasze kokolitofory, które podobnie do innych Heterokonta mają ten brązowawy barwnik, więc nazwano je hurtem Chromista. Z natury są więc kolorowe i ci z Was, którzy byli nad morzem pewnie widzieli na plaży brązowawe wodorosty. One też należą do Chromista, to brunatnice, a najpopularniejszy nad Bałtykiem to oczywiście morszczyn. W sumie do Heterokonta zalicza się w tej chwili ponad 100 tys gatunków, w tym znane z lekcji biologii okrzemki.

Morszczyn pęcherzykowaty (Fucus vesiculosus) na plaży. Chromist, nie roślina
(fot.  Stemonitis CC-BY-SA)

Zakładam, że już wiecie, w jakiej grupie są kokolitofory. Mają one jednak jeszcze jedną wyjątkową cechę. Ich komórki otaczają się wapiennym szkielecikiem. Komórka jest mniej więcej kulista, a szkielecik składa się z okrągłych tarcz stykających się ze sobą w ten sposób, że szczelnie pokrywają komórkę. Taka osłonka to kokosfera, a pojedyncza tarcza to kokolit. Wszystko to są maleństwa, bo kokolit ma od 2 do 20-30 mikrometrów. Gołym okiem tego nie widać. Jest to tak małe, że do badań używa się albo mikroskopów skanningowych, albo optycznych o powiększeniach rzędu x1000.

Zakwit kokolitoforów na Morzu Barentsa.
Widać zmętnienie wody pokrywające setki km kwadratowych  (fot.  NASA)

Jednak w tych małych organizmach jest ogromna siła. One sezonowo zakwitają, tzn. kiedy temperatura, nasłonecznienie i składniki odżywcze osiągną pewien próg zaspokojenia potrzeb kokolitoforów zaczyna się szaleńczy podział komórek i w krótkim czasie woda oceaniczna zamienia się w mleko na obszarze nawet kilkuset km². Najlepiej widać to na zdjęciach satelitarnych. Współcześnie takim najpopularniejszym gatunkiem kokolitofora jest Emiliania huxleyi. Badania nad zakwitami tego gatunku pomogą nam zrozumieć co tak naprawdę dzieje się w oceanach. Dlaczego?

Nasza bohaterka Emiliania huxleyi widziana pod mikroskopem skanningowym. Widać całą kokosferę złożoną z tarczowatych kokolitów zachodzących na siebie (fot.  Alison R. Taylor CC-BY)

Kokolitofory są jednym z głównych producentów biomasy w oceanach. Jako organizmy samożywne stoją na początku łańcucha pokarmowego, więc to od nich zależy co się będzie działo dalej z rozwojem kolejnych drapieżników, na rekinach, wielorybach i człowieku skończywszy. Jako autotrofy pochłaniają CO₂ i tu możemy im przyklasnąć, ale jako organizmy biokalcyfikujące (wytrącające węglan wapnia - CaCO₃) już nas martwią. Tzn. głównie interesuje nas jak wygląda różnica pomiędzy wychwytywaniem a wydalaniem CO₂ przez kokolitory, czyli wspomniany już balans. Pamiętajmy też, że kiedy kokolitofor umiera (więdnie?) na dno oceanu dostają się ogromne ilości węgla pogrzebane w osadzie jako biomasa oraz wapienny osad. Zatem cykl życiowy kokolitoforów jest jednym z głównych czynników wpływających na obieg węgla w przyrodzie. Mówiąc inaczej, rozwój kokolitoforów w strefie fotycznej powoduje redukcję CO₂ przy powierzchni wody i wchłanianie CO₂ z atmosfery w mechanizmie organicznej pompy węgla - węgiel ląduje na dnie oceanu w postaci mułu wapiennego oraz materii organicznej.

Inny, popularny współczesny gatunek kokolitofora Coccolithus pelagicus
(fot. Richard Lampit & Jeremy Young CC-BY-SA)

Niestety, ta fajna cecha wiązania węgla jest rozmemłana przez odwrotny proces - uwalnianie dwutlenku węgla podczas wytwarzania węglanu wapnia. W tym procesie jony HCO₃ i Ca₂ łączą się w CaCO₃ i uwalniają CO₂ jako resztę :( I tu jest pies pogrzebany. Całe wysiłki badaczy są obecnie skierowane na obserwacje, w jaki sposób kokolitofory radzą sobie z balansowaniem pomiędzy wzrastającą zawartością CO₂ w atmosferze, zakwaszaniem oceanów itp.

Inny przykład zakwitu kokolitofor u wybrzeży Alaski. Widać skalę zjawiska i można sobie wyobrazić jak powierzchnia Morza Beringa zasysa dwutlenek węgla z atmosfery (fot. NASA)

Swego czasu uważało się, że kalcyfikacja i uwalnianie CO₂ do wody morskiej powoduje jej zakwaszanie przez kokolitofory, ale okazuje się, że w wodach o dużym stężeniu CO₂ kokolitofory (Emiliania huxleyi) radzą sobie lepiej. Przypomina to sytuację z końca mezozoiku, skąd pochodzą największe pokłady osadów wapiennych złożonych głównie z kokolitów. Wszelkie przesłanki wskazują na to, że mieliśmy wtedy do czynienia z 'greenhousem' i bardzo dużym stężeniem CO₂ w atmosferze. Do tego należy jeszcze dodać, że ta mleczna woda oceaniczna, działa podobnie jak czapa lodowa. Zwiększa albedo Ziemi. Nie jest to do końca potwierdzone, ale może się okazać, że istnieje zależność pomiędzy wzrostem temperatury a produkcją kokolitofor. Im cieplej tym mniejsze czapy lodowe, ale większa produkcja węglanu wapnia w oceanach, pogrzebanie węgla i równoważenie albedo.

Trochę przypomina to "Daisy World" Lovelocka, ale być może coś jest na rzeczy. W każdym razie, ja bardzo proszę wszystkich klimatologów! Nie zapominajcie o kokolitoforach.

ps. nie chce mi się tutaj podpierać literaturą, bo jest sobota i 23:17 cyknęła, ale jak ktoś będzie bardzo chciał, to mogę podesłać. Z takich staroci mogę polecić książkę Hansa Thiersteina & Jeremy'iego Younga (eds.), 2004. Coccolithophore from Molecular Processes to Global Impact. 565 pp. Springer. ISBN 3-540-21928-5

pps. i nie chce mi się dzisiaj być SEO i linkować w tekście (szczególnie w leadzie i na końcu i interlinkować). Nie chce mi się wymyślać headów i keywordsów boldować itd (coś tam wyboldowałem, bo tekst długi i nudny). A tak w ogóle, to uważam, że SEO to śmierć internetu. I mam w nosie bota gugli. niech sobie jeździ po mnie :) [edit] to była ironia i zrzymanie się na pozycjonowanie, które zabija istotę przekazu.

Źródła:
Beaufort L, Probert I, de Garidel-Thoron T, Bendif EM, Ruiz-Pino D, Metzl N, Goyet C, Buchet N, Coupel P, Grelaud M, Rost B, Rickaby RE, & de Vargas C (2011). Sensitivity of coccolithophores to carbonate chemistry and ocean acidification. Nature, 476 (7358), 80-3 PMID: 21814280


Richier, S., Fiorini, S., Kerros, M., von Dassow, P., & Gattuso, J. (2010). Response of the calcifying coccolithophore Emiliania huxleyi to low pH/high pCO2: from physiology to molecular level Marine Biology, 158 (3), 551-560 DOI: 10.1007/s00227-010-1580-8

Fot. w nagłówku: Gephyrocapsa oceanica podkolorowana przez Richarda Bartsa (CC-BY-SA)

Posted in: człowiek,ekologia,globalne ocieplenie,holocen,paleontologia,Polska,woda