Gli scienziati e gli ingegneri di MBARI hanno sviluppato per 15 anni nuovi metodi per studiare l'acidificazione degli oceani e i suoi effetti sugli organismi marini nei loro habitat naturali. I ricercatori di tutto il mondo hanno adattato gli strumenti MBARI per eseguire i propri esperimenti in habitat che vanno dalle barriere coralline ai fondali antartici. Questi diversi progetti sono stati recentemente evidenziati in un articolo sulla rivista Progressi in oceanografia .

L'acidificazione degli oceani descrive i cambiamenti chimici che si verificano quando l'acqua di mare reagisce con l'anidride carbonica in eccesso assorbita dall'atmosfera. I cambiamenti chiave nella chimica dei carbonati dell'acqua di mare durante l'acidificazione includono un aumento della pressione parziale di CO ₂ , aumento dell'acidità (riduzione del pH dell'oceano), e ridotti livelli di ioni carbonato (CO32-). Questi cambiamenti chimici possono essere fisiologicamente impegnativi per gli organismi, interrompendo il loro equilibrio acido-base interno e compromettendo la calcificazione di conchiglie o scheletri, in ultima analisi, aumentando il "costo della vita" per far fronte a livelli più elevati di carbonio oceanico. Per alcuni organismi, in particolare alcune piante marine, aumento della CO ₂ livelli possono effettivamente aumentare la crescita, ma per molti organismi, l'aumento di CO ₂ può compromettere il comportamento, crescita, riproduzione, sopravvivenza, e altri processi vitali.

Galleggiando nelle limpide acque azzurre di una vasca di prova al coperto, Il primo Free Ocean CO . di MBARI ₂ Il sistema di arricchimento (FOCE) era una gabbia circolare di tubi destinata a inzuppare l'area interna con acqua ricca di anidride carbonica (CO ₂ ). Ispirato da un approccio per studiare gli effetti dell'aumento di CO ₂ livelli su terreno denominato CO . in aria libera ₂ Esperimenti di arricchimento (FACE), FOCE è stato progettato per rispondere a una domanda fondamentale:in che modo l'aumento dei livelli di anidride carbonica nell'oceano influisce sulle piante e sugli animali marini?

Il sistema FOCE è stato sviluppato da un team guidato dallo scienziato Peter Brewer e dall'ingegnere Bill Kirkwood, e coinvolgendo un grande contingente di ingegneri lungo il percorso. Nella realizzazione del sistema FOCE, gli scienziati e gli ingegneri di MBARI stavano cercando non solo di illuminare gli effetti della CO ₂ sugli organismi marini, stavano cercando un modo per portare i loro esperimenti dal laboratorio in mare aperto.

Gran parte di ciò che gli scienziati sanno sugli effetti dell'acidificazione degli oceani sugli organismi marini proviene da esperimenti controllati condotti in laboratorio, o osservazioni sul campo in ambienti come la CO . naturale ₂ prese d'aria, che potrebbe in qualche modo imitare la chimica dei futuri oceani ricchi di carbonio. Ci sono vantaggi e svantaggi di questi approcci. La maggior parte degli esperimenti di laboratorio soffre di condizioni di laboratorio artificiali che non possono replicare le condizioni naturali dinamiche che si trovano negli habitat oceanici. E sebbene studi vicino a CO ₂ i siti di sfiato sono stati altamente informativi sulla risposta delle comunità naturali all'aumento dell'acidità, la loro CO ₂ i livelli sono spesso molto variabili, aumentando la difficoltà di determinare la chiave CO ₂ livelli che provocano danni all'ecosistema. I sistemi FOCE sono stati progettati per consentire esperimenti per misurare gli effetti dei cambiamenti nella chimica dei carbonati dell'oceano su intere comunità di organismi marini interagenti in condizioni quasi naturali, andando oltre gli studi di singoli organismi in condizioni di laboratorio artificiali.

Il sistema FOCE tenta di fornire ai ricercatori la capacità di manipolare con precisione le condizioni sperimentali incorporando le complessità e la variabilità di una comunità naturale. Come hanno scritto i ricercatori nel loro recente articolo, "Questi vantaggi rendono FOCE un approccio ideale per aiutare a colmare le attuali lacune nella comprensione degli impatti dell'acidificazione degli oceani, compresi gli effetti a lungo termine e multi-stress."

Oltre un decennio dopo il suo primo test nella vasca di prova interna di MBARI, il sistema FOCE si è evoluto in uno strumento potente e versatile che viene utilizzato a livello globale per ampliare le nostre conoscenze sull'acidificazione degli oceani e su come gli ecosistemi oceanici possono reagire alle condizioni future. Questa capacità di eseguire esperimenti di acidificazione degli oceani a lungo termine su intere comunità marine ha rivelato nuovi, scoperte inaspettate che hanno messo in discussione ciò che gli scienziati pensavano di sapere, e ha suscitato più domande che devono essere esplorate.

Il nuovo documento descrive come i diversi esperimenti FOCE sono stati utilizzati in un'ampia varietà di habitat. Riepiloga inoltre i risultati e i limiti di ciascun esperimento.

FOCE in un letto di posidonia mediterranea

In Europa, i ricercatori hanno utilizzato FOCE per osservare gli effetti dell'acidificazione degli oceani su una prateria di Posidonia oceanica nel Mediterraneo nordoccidentale, al largo delle coste francesi. Lo studio, condotta da giugno a novembre 2014, ha attraversato più stagioni e testato varie ipotesi.

Come i precedenti studi di laboratorio, l'esperimento FOCE di alghe ha trovato prove che i cambiamenti nel pH hanno influenzato i tassi di sedimentazione delle alghe che hanno scheletri duri contenenti carbonato di calcio. I cambiamenti nel pH hanno colpito anche i vermi che vivono all'interno duro, tubi ricchi di calcio.

Un secondo esperimento FOCE di alghe marine ha mostrato che queste alghe e vermi erano più resistenti ai cambiamenti nella chimica dell'oceano in presenza di letti di alghe sane. Infatti, le alghe e i vermi che crescono su lame di alghe sane non sono stati seriamente colpiti da concentrazioni più elevate di CO ₂ -una scoperta che contrasta con i risultati di esperimenti precedenti.

In questo caso, il sistema FOCE ha permesso ai ricercatori di studiare la risposta delle praterie di fanerogame come comunità, e osservarlo per un periodo di tempo più lungo. Ha anche rivelato risultati inaspettati che hanno evidenziato l'importanza di habitat sani nel tamponare i futuri cambiamenti di pH.

FOCE sulla Grande Barriera Corallina

Allo stesso modo, ricercatori in Australia hanno utilizzato un sistema FOCE per osservare gli effetti dell'abbassamento del pH sui coralli di Heron Island nella Grande Barriera Corallina. Il loro sistema FOCE, stabilito in una comunità corallina vicino alla costa altamente dinamica, ha fornito la capacità di studiare i coralli al di fuori di un ambiente di laboratorio stabile. Questi esperimenti hanno dimostrato che alcune specie di corallo possono essere più resistenti ai cambiamenti di pH di quanto si pensasse in precedenza.

FOCE in the deep sea

In Monterey Bay, the first deep-water FOCE experiment showed how changes in pH can affect the foraging behavior and movement of deep-sea urchins. During this experiment, MBARI researchers used a series of "raceways" to track the foraging ability of individual sea urchins at different pH levels.

FOCE in Antarctica

Più recentemente, the antFOCE experiment was installed under ice in the shallow waters near Casey Station, Antarctica. This experiment demonstrated the ability of FOCE systems to collect valuable data in even the harshest environments.

Like many experimental systems, the FOCE design has weaknesses. Per esempio, because study plots must be enclosed in partially-open (flow-through) enclosures to help control seawater chemistry, the conditions experienced by study organisms inside FOCE enclosures are somewhat different from the natural environment nearby. Seawater flowing through these enclosures is enriched in CO ₂ , but keeps normal levels of plankton and varies in temperature and most other factors just as in study plots outside FOCE chambers. Other factors, such as currents or light levels may be diminished within chambers, compared to areas outside FOCE chambers. Researchers have responded to this concern by including "control" plots within FOCE enclosures that do not experience acidification, as well as open plots outside chambers.

FOCE researchers are now developing guidelines for FOCE experiments that will foster collaboration between different research groups. This will allow FOCE systems to evolve toward consistent methods for testing hypotheses and sharing technology and design improvements.

"The next generation of FOCE experiments ideally would include increased replication, longer experiments to encompass multi-generational times for benthic species and whole and multiple season cycles, multiple environmental-factor approaches, and the use of ancillary incubation chambers for examination of short-term physiological and behavioral responses, " the researchers suggest in their paper.

The authors of the recent FOCE paper point out that there is an urgent need for further studies utilizing FOCE systems, in addition to laboratory experiments and field observations of CO ₂ vents and other proxy environments. They note that it is imperative that humans prepare for the inevitable changes in the ocean. High-quality data from a variety of research methods will allow resource managers to predict and perhaps mitigate the consequences of these changes and protect ocean ecosystems.

In summary, FOCE systems are an indispensable tool to view the impacts of a changing ocean on whole ecosystems. As the researchers put it, "The knowledge gained from further FOCE experiments would make an important contribution to improving our ability to forecast the impacts of ocean acidification on natural ecosystems and to better support the management of its impacts."