Največji problem oceanov je segrevanje

David Michael Karl ima čudovito službo: živi na Havajih, kjer je univerzitetni profesor in znanstveni raziskovalec. Predmet njegovega raziskovanja je ogromna aqua incognita, in to ne le neposredno okoli Havajev. »Oceani pokrivajo 71 odstotkov zemeljske površine, a so še vedno eno najmanj raziskanih območij našega planeta,« poudari takoj na začetku.

»Kot integralna sestavina klimatskega sistema oceani skladiščijo in prenašajo toploto, ustvarjajo in vsrkavajo klimatsko-reaktivne pline in urejajo hidrološki cikel planeta,« nadaljuje sogovornik. »Danes je jasno, da so poraba fosilnih goriv, spremembe namembnosti zemljišč in drugi vplivi družbe, ki temelji na industrijski proizvodnji, začeli motiti občutljivo ravnovesje življenja v morjih. Zato je nujno, da razvijemo popolnejše razumevanje struktur in vlog zapletenih morskih ekosistemov in ta spoznanja uporabimo za ohranjanje in vzdrževanje njihovega naravnega stanja.«

Zadnja štiri desetletja je večino časa posvetil raziskovanju vloge morskih mikroorganizmov pri ohranjanju stanja, primernega za življenja na našem planetu, in občutljivosti morskih mikrobnih skupnosti za podnebne spremembe, ki jih povzroča človek.

Z enim najuglednejših oceanografov na svetu smo se pogovarjali v Bernu, prav na dan, ko so mu zvečer v švicarskem zveznem parlamentu izročili Balzanovo nagrado, vredno 750.000 švicarskih frankov.

Profesor Karl, rad bi vam izročil kopijo daljšega članka, konec decembra 2006 objavljenega v Sobotni prilogi Dela. Na Dunaju sem se pogovarjal z Edwardom DeLongom, ki je takrat delal kot profesor na Tehnološkem inštitutu Massachusettsa (MIT).

Neverjetno, osupljivo! Kako majhen je ta naš svet! DeLong je eden mojih najbližjih kolegov! Pred desetimi leti sva na Havajih skupaj ustanovila laboratorij za mikrobno oceanografijo, pet let pozneje pa sem ga povabil, naj z MIT pride k nam, da bo bliže akciji. DeLong je malo mlajši od mene in bo raziskoval še potem, ko se bom jaz upokojil. Ta članek bomo uokvirili in ga izobesili v enem naših prostorov. Pravite, da je v slovenskem jeziku?

Da. DeLong mi je leta 2006 dejal, da je oceanografija še v povojih in da znanost še vedno ne ve, kaj vse je v litru morske vode. Katere oceanske neznanke ste torej razkrili v zadnjem času?

Če vzamete liter morske vode in z mikroskopom vstopite v submikrobsko območje, boste našli številne mikroorganizme. Povprečna velikost morskega mikroorganizma je pol mikrona. Tukaj so še virusi, ki so desetkrat manjši od bakterij. Na še manjši ravni – na enem nanometru – so majhni delci organske materije, želeji, ki so hrana za bakterije.

Od nanometra se pri raziskovanju vzpenjamo navzgor po lestvici vse do satelita nad Zemljo, ki iz vesolja meri marsikaj, kar je v svetovnih morjih. Vse te razsežnosti danes uporabljamo v analizi, ki jo imenujemo od genoma do bioma [biomi so območja naravnih skupnosti rastlin in živali].

Sekvenciranje, torej določanje zaporednih sestavnih delov DNK, je za naše proučevanje izjemno pomembno. Izvajamo ga za številne organizme, ki jih odkrivamo v morju. Lahko osamimo in proučujemo vsako posamično bakterijo, in to z močnim instrumentom, imenovanim flow cytometer. Ta nam omogoča osamiti eno samo celico, ki jo lahko pomnožimo in izvedemo sekvenciranje DNK. To je nekaj podobnega tistemu, kar po storjenem zločinu z materialom DNK počno forenziki.

Na podlagi vpogleda v gene določenega organizma in na podlagi proteinov, ki jih ustvarja, lahko ugotovimo, kaj proučevani organizem nasploh počne v naravi. To moramo pozneje še potrditi z neposrednimi poskusi in drugimi spremljevalnimi metodami, da bi dojeli tudi dejanske, ne le potencialne aktivnosti proučevanega organizma.

Spremljate tudi interakcije organizmov?

Seveda, v oceanu živi osamljeno življenje zelo malo organizmov. Številni ne morejo rasti brez prisotnosti točno določenih drugih organizmov. Prav tu smo v mikrobiologiji dolgo napačno delovali. Vladal je model medicinske mikrobiologije. Ta se je osredotočil na osamitev enega samega organizma, da so določili vir infekcije in bolezni. To je postulat Roberta Kocha.

V oceanografiji pa tak pristop ne vodi nikamor. Organizmi rastejo, se razvijajo in živijo v skupnostih! Primer: en organizem je morda izgubil zmožnost ustvarjanja določenega vitamina, denimo B12, ki je nujen za rast. Ta organizem zato ob sebi potrebuje organizme, ki lahko ustvarjajo vitamin B12. In pri tem ni nujno, da gre za neposredno interakcijo. Drugi organizem ima morda presežek vitamina B12 in ga zato izloča kot odpadek, prvi pa se z odvrženim vitaminom hrani. In zakaj se to dogaja? Najverjetneje tudi drugi organizem potrebuje nekaj od prvega. Zato živita v medsebojni bližini. V resnici je to velikanski trg!

Kaj je za vas trenutni znanstveni izziv v tem medsebojno odvisnem sistemu?

Še vedno ne vemo natančno, kateri so dejavniki prepoznavanja. Poskušamo dojeti, kako se bakterije »pogovarjajo« druga z drugo. Jasno je, da se pogovarjajo, in to v jeziku kemije. Nekatere bakterije so »večjezične«, govorijo več jezikov – v nasprotju z menoj, ki razumem samo enega.

Prav tako nam ni jasno, kakšen je obseg relevantnega življenjskega okolja posameznega organizma, koliko podobmočij oziroma skupnosti moramo kombinirati v naših raziskavah. Zdaj vzorec običajno opredelimo z občutljivostjo instrumentov, ki jih uporabljamo. Ko se bo občutljivost instrumentov izboljšala, bomo lahko prodrli globlje in dobili vpogled v strukture, ki smo jih pred tem opazovali povezane v določeni skupnosti.

To je po svoje fraktalni pristop. Bolj pozorno nekaj opazujete, bolj zapleteno je stanje, ker opažate več značilnosti in interakcij. Prav te interakcije zdaj intenzivno proučujejo mikrobiološki ekologi.

Te raziskave potekajo vzporedno z raziskovanjem človeškega mikrobioma. Proučevanje človeškega bioma pravzaprav izvira iz ekološke mikrobiologije. Zdaj se je za to začela zanimati tudi medicina. Po sekvenciranju človeškega genoma se iščejo vzroki za različna stanja in bolezni. Med drugim bi, na primer, radi izvedeli, ali je debelost kakorkoli povezana z vrstami mikrobov, ki živijo v našem telesu. Znano je, da je v človeškem telesu skupno veliko več celic mikroorganizmov, kot je nasploh vseh celic človeškega organizma. Človeško telo je pravi »mikrobiomski stroj«.

Seveda pa je naravno okolje še toliko bolj komplicirano, saj v njem živi veliko različnih vrst organizmov. Niti tega ne vemo, koliko je pravzaprav teh organizmov, smo se pa začeli ukvarjati tudi s tem vprašanjem.

In to je samo del zelo zapletenega sistema oceanov. Če se pomikamo po lestvici navzgor, opazimo biome, skupnosti, življenjska okolja, oceanske bazene in globalne oceane. In vsi so med seboj nekako povezani. Prizadevamo si dojeti njihovo medsebojno povezanost, pa tudi to, kako nekateri vplivi na mikrobiomske skupnosti vplivajo na življenje tistih, ki so više na tej lestvici. Kamorkoli greste, vse je zapleteno.

V igri pa je seveda še dejavnik časa.

Tako je, proučevati moramo ne le določen prostor, ampak tudi spremembe, ki se porajajo v času. Časovne lestvice so zadnjih pet let postale zelo zanimivo področje. Zlasti zanimivi so dnevni cikli sprememb, ki jih intenzivno proučuje tudi kolega DeLong. Vsak dan v določenem času pride do usklajenega izražanja določenih genov. Vsak dan lahko v oceanu vidimo prave slapove teh sprememb. Morski organizmi imajo namreč svoj dnevni razpored. Njihov dnevni red je natančno določen. Eni delujejo zjutraj, drugi so dejavni zvečer. Ob različnih časih počnejo različne stvari. En organizem vzame stranski produkt prejšnjega organizma in tako naprej.

Kako se globalno segrevanje kaže v oceanih?

Temperature so bile lani najvišje v vseh 30 letih, odkar jih merimo na naši postaji v Alohi. To ni toliko posledica globalnega segrevanja, ampak gre za »superimpozicijo« splošnega segrevanja planeta, zaradi katerega nastane El Niño, ki prinaša toplo vodo v severni Tihi ocean. Temperatura vode je letos za dve stopinji in pol višja kot pred nekaj leti.

Organizmi, ki ustvarjajo energijo na podlagi svetlobe, so manj občutljivi za spremembe temperature morja. Dejstvo pa je, da temperatura še kako vpliva na organizme, ki za rast nujno potrebujejo organske snovi. Ti organizmi morajo imeti na voljo kisik, količina kisika pa je odvisna od temperature morja. Če vodo segrejete, lahko to povzroči pomanjkanje kisika, to pa privede do neravnovesja. Za nekatere organizme je to gotovo velik problem.

Spremembe na Zemlji so večinoma počasne, toda čedalje bolj jasno je, da mnoge od njih povzroča človek. Bolj natančne meritve imamo šele od nedavnega, obstajajo pa še številni naravni cikli. Kako se kot znanstvenik spopadate z vsemi temi problemi?

Na kopnem veliko lažje opazimo številne večje spremembe, denimo spreminjanje gozdov v polja. Na splošno se je skupna človeška biomasa v zadnjih desetletjih zelo hitro povečala. Posledično se je povečala tudi globalna poraba številnih virov, hrane in mnogo drugega. In povečala se je količina odpadkov. Vse to so dejavniki, ki jih je treba upoštevati.

Bolj točne meritve in časovne serije imamo iz obdobij po drugi svetovni vojni, ko so po oceanih namestili meteorološke postaje. To so storili zato, ker so bile vremenske napovedi nujne za letalski promet. Meteorološke postaje so bila najprej na zasidranih ladjah, ker takrat še ni bilo satelitov. Od 60. let opravljamo tudi satelitske meritve oceanov: barve, temperature, slanosti, valovanja … Vse to lahko zdaj vključimo v modele.

Kljub vsemu pa še vedno ne vemo, kako kaj vpliva na oceane. Težko je ugotoviti tudi časovno točko raziskave, ker ne vemo, ali je bil trenutni status quo pod določenim začasnim vplivom. Prav tako moramo pogosto uporabljati posredne podatke, ker mikrobi za seboj ne puščajo fosilov, tako da nimamo fosilnih dokazov o mikroorganizmih. Velik problem je še dejstvo, da na dnu severnega Tihega oceana v tisoč letih nastane le milimeter sedimentne plasti. En sam milimeter debel sloj v tisoč letih!

Tako so za nekatera spoznanja, zanimivo, še vedno najboljši podatki o ribolovu. Toda še danes ne vemo natančno, kaj je pred nekaj desetletji povzročilo upad ulova nekaterih vrst rib. So bile te ribe, ki so v določenem trenutku na določenem območju izginile, večinoma ulovljene ali so morda pobegnile kam drugam?

Kaj bi si želeli, da vaša delovna skupina in vaši znanstveni nasledniki naredijo do vašega stotega rojstnega dne leta 2050?

Moja skupina se razvija od leta 1978. Njeni člani se ves čas usposabljamo in iščemo finančne vire za raziskave. Želimo si, da bi bolje spoznali novoodkrite vrste mikroorganizmov, pa tudi proces prehranjevanja v oceanih. Poleg tega poskušamo bolje razumeti spremembe, ki se dogajajo v času. Pravzaprav se poskušamo s pomočjo matematičnih modelov prebiti do boljšega razumevanja delovanja kompleksnih sistemov.

Je pa seveda jasno, da moramo pri tem bolj intenzivno sodelovati s številnimi drugimi znanstvenimi disciplinami. To nekoč ni bilo običajno: biologi so se držali zase, kemiki so delali po svoje … Nismo imeli pravih interdisciplinarnih timov. Jaz jim pravim celo »transdisciplinarni«. V svoje delo moramo vključiti tudi ekonomijo, politiko in nasploh družbene znanosti. Če se to ne bo zgodilo, ne bo mogoče uresničiti velikih pobud.

Kaj je po vašem mnenju največji »stres«, ki ga v sodobnem času doživljajo svetovna morja, povzroča pa ga tudi človek?

Prepričan sem, da je najhujši problem segrevanje oceanov. Segrevanje oceanov vpliva na kroženje oceanske vode, ki je izjemno pomembna. S kroženjem se voda ventilira. Tako prodira kisik globoko v morje. Posledica tega je prodiranje vode navzgor [upwelling – proces, med katerim se bolj gosta in bolj hladna voda, bogata s hranljivimi snovmi, iz globine dviga proti površju morja, kjer zamenja toplejšo in s hranljivimi snovmi bolj skopo vodo]. Ves pomembnejši svetovni ribolov je odvisen od tega prodiranja vode navzgor in navzdol. Temperatura je brez dvoma najpomembnejši pojav.