Siguiendo el modelo de sistemas similares en tierra, este sistema FOCE de primera generación en el tanque de prueba de MBARI utilizó un marco circular para liberar agua de mar enriquecida con dióxido de carbono en una cámara central. Crédito:MBARI
Los científicos e ingenieros del MBARI han estado desarrollando nuevos métodos para estudiar la acidificación de los océanos y sus efectos sobre los organismos marinos en sus hábitats naturales durante 15 años. Investigadores de todo el mundo han estado adaptando los instrumentos del MBARI para realizar sus propios experimentos en hábitats que van desde los arrecifes de coral hasta el fondo marino de la Antártida. Estos diversos proyectos han sido destacados recientemente en un artículo de la revista Progreso en Oceanografía .
La acidificación del océano describe los cambios químicos que ocurren cuando el agua de mar reacciona con el exceso de dióxido de carbono absorbido de la atmósfera. Los cambios clave en la química de los carbonatos del agua de mar durante la acidificación incluyen un aumento en la presión parcial de CO 2 , aumento de la acidez (reducción del pH del océano), y niveles reducidos de iones carbonato (CO32-). Estos cambios químicos pueden ser un desafío fisiológico para los organismos, alterar su equilibrio ácido-base interno y deteriorar la calcificación de conchas o esqueletos, en última instancia, aumentando el "costo de vida" para hacer frente a los niveles más altos de carbono en los océanos. Para algunos organismos, particularmente algunas plantas marinas, aumento de CO 2 los niveles realmente pueden mejorar el crecimiento, pero para muchos organismos, el aumento de CO 2 puede perjudicar el comportamiento, crecimiento, reproducción, supervivencia, y otros procesos de la vida.
Flotando en las claras aguas azules de un tanque de prueba interior, El primer Free Ocean CO de MBARI 2 El sistema de enriquecimiento (FOCE) era una jaula circular de tuberías destinada a empapar el área interior con agua rica en dióxido de carbono (CO 2 ). Inspirado en un enfoque para estudiar los efectos del aumento de CO 2 niveles en tierra llamada Free-Air CO 2 Experimentos de enriquecimiento (FACE), FOCE fue diseñado para responder una pregunta crítica:¿cómo afectan los niveles crecientes de dióxido de carbono en el océano a las plantas y animales marinos?
El sistema FOCE fue desarrollado por un equipo dirigido por el científico Peter Brewer y el ingeniero Bill Kirkwood, e involucrando a un gran contingente de ingenieros en el camino. Al configurar el sistema FOCE, los científicos e ingenieros de MBARI buscaban no solo iluminar los efectos del CO 2 sobre organismos marinos, buscaban una manera de llevar sus experimentos del laboratorio al océano abierto.
Gran parte de lo que los científicos saben sobre los efectos de la acidificación de los océanos en los organismos marinos proviene de experimentos controlados llevados a cabo en laboratorios. o observaciones de campo en entornos como CO natural 2 ventilaciones, que de alguna manera puede imitar la química de los océanos futuros ricos en carbono. Hay ventajas y desventajas de estos enfoques. La mayoría de los experimentos de laboratorio sufren de condiciones de laboratorio artificiales que no pueden replicar las condiciones naturales dinámicas que se encuentran en los hábitats oceánicos. Y aunque estudios cerca de CO 2 Los sitios de ventilación han sido muy informativos sobre la respuesta de las comunidades naturales al aumento de la acidez, su CO 2 los niveles son a menudo muy variables, aumentando la dificultad de determinar el CO clave 2 niveles que resultan en daños al ecosistema. Los sistemas FOCE fueron diseñados para permitir experimentos para medir los efectos de los cambios en la química de carbonatos del océano en comunidades enteras de organismos marinos que interactúan en condiciones casi naturales. yendo más allá de los estudios de organismos individuales en condiciones de laboratorio artificiales.
El sistema FOCE intenta proporcionar a los investigadores la capacidad de manipular con precisión las condiciones experimentales al tiempo que incorpora las complejidades y variabilidad de una comunidad natural. Como escribieron los investigadores en su artículo reciente, "Estas ventajas hacen de FOCE un enfoque ideal para ayudar a abordar las brechas actuales en la comprensión de los impactos de la acidificación de los océanos, incluidos los efectos a largo plazo y de múltiples factores de estrés ".
Más de una década después de su prueba inicial en el tanque de prueba interior de MBARI, El sistema FOCE se ha convertido en una herramienta poderosa y versátil que se está utilizando a nivel mundial para ampliar nuestro conocimiento sobre la acidificación de los océanos y cómo los ecosistemas oceánicos pueden reaccionar a las condiciones futuras. Esta capacidad de realizar experimentos de acidificación del océano a largo plazo en comunidades marinas enteras ha revelado nuevos, hallazgos inesperados que han desafiado lo que los científicos pensaban que sabían, y generó más preguntas que deben explorarse.
El nuevo artículo describe cómo se han utilizado diferentes experimentos de FOCE en una amplia variedad de hábitats. También resume los hallazgos y las limitaciones de cada experimento.
Este diagrama muestra algunos de los componentes clave del sistema FOCE de aguas profundas. Crédito:MBARI
FOCE en un lecho de algas marinas del Mediterráneo
En Europa, Los investigadores utilizaron FOCE para observar los efectos de la acidificación del océano en una pradera de pastos marinos de Posidonia oceanica en el noroeste del Mediterráneo. frente a la costa de Francia. El estudio, realizado de junio a noviembre de 2014, abarcó varias temporadas y probó varias hipótesis.
Al igual que los estudios de laboratorio anteriores, El experimento FOCE de pastos marinos encontró evidencia de que los cambios en el pH afectaron las tasas de sedimentación de las algas que tienen esqueletos duros que contienen carbonato de calcio. Los cambios en el pH también afectaron a los gusanos que viven en el interior duro, tubos ricos en calcio.
Un segundo experimento FOCE de pastos marinos mostró que estas algas y gusanos eran más resistentes a los cambios en la química del océano en presencia de lechos de pastos marinos saludables. De hecho, Las algas y gusanos que crecen en hojas de pastos marinos sanos no se vieron seriamente afectados por concentraciones más altas de CO 2 —Un hallazgo que contrasta con los resultados de experimentos anteriores.
FOCE europea (eFOCE) sentada en el muelle, listo para su despliegue frente a la costa sur de Francia. Este diseño fue una versión única de FOCE construida para operar en posición vertical en un lecho de algas marinas. Crédito:Paul Mahacek
En este caso, el sistema FOCE permitió a los investigadores estudiar la respuesta de la pradera de pastos marinos como comunidad, y obsérvelo durante un período de tiempo más largo. También reveló resultados inesperados que destacaron la importancia de los hábitats saludables en la protección contra futuros cambios de pH.
FOCE en la Gran Barrera de Coral
Similar, Investigadores de Australia utilizaron un sistema FOCE para observar los efectos de la disminución del pH en los corales de Heron Island en la Gran Barrera de Coral. Su sistema FOCE, establecido en una comunidad de coral cercana a la costa altamente dinámica, brindó la capacidad de estudiar corales fuera de un entorno de laboratorio estable. Estos experimentos demostraron que algunas especies de coral pueden ser más resistentes a los cambios de pH de lo que se pensaba anteriormente.
Foto superior:El sistema FOCE en un arrecife plano cerca de Heron Island, off the northeast coast of Australia. Image by David Kline. Lower photo:The first deep-water FOCE system deployed in Monterey Bay. The experimental chamber in the center of the photo allowed researchers to track sea urchin responses to different pH levels. Crédito:MBARI
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
Más reciente, the antFOCE experiment was installed under ice in the shallow waters near Casey Station, Antártida. This experiment demonstrated the ability of FOCE systems to collect valuable data in even the harshest environments.
These large tubes are part of the antFOCE system. Chemical reactions occur more slowly in the frigid waters of the Antarctic, so these 30-meter-long tubes allow time for CO 2 -saturated seawater to become more acidified before it flows into the antFOCE experimental chamber. Credit:Glenn Johnstone
Like many experimental systems, the FOCE design has weaknesses. Por ejemplo, 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 deep-water FOCE system under construction at MBARI prior to deployment in Monterey Bay. Crédito:MBARI
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.
En resumen, 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."
