التنبؤ بحالة المحيطات يرتبط بمتابعة البكتيريا والطحالب والفيروسات
كتبت : حبيبة جمال
الكائنات الحية الدقيقة البحرية ضرورية لصحة المحيطات. تشكل البكتيريا والعتائق والفطريات والطحالب والفيروسات معظم الكتلة الحيوية في البحار وتشكل قاعدة الشبكات الغذائية البحرية، وهي تدعم تدوير المغذيات وتدفع العمليات البيوجيوكيميائية الحاسمة، بما في ذلك الخطوات الرئيسية في دورات الكربون والنيتروجين والسيليكون.
لكن أزمة المناخ تضع ضغطا على المحيطات من خلال الارتفاع المطرد في درجات الحرارة، وموجات الحر الأطول والأكثر تواترا، والتحمض، والتغيرات في مستويات المغذيات.
إن فهم كيفية تأثر الميكروبات البحرية أمر أساسي للتنبؤ بالحالة المستقبلية للمحيطات، والتخفيف من آثار الأزمة على النظم البيئية البحرية وكذلك المجتمعات البشرية التي تعتمد عليها في سبل العيش والغذاء.
التنبؤ بالمحيطات ليس بالأمر السهل. المحيطات عبارة عن أنظمة معقدة للغاية، ويحتاج المتنبئون إلى دمج مجموعة من التغييرات في فيزياء المحيطات (الأمواج والتيارات والتفاعلات مع الغلاف الجوي)، وعلم الأحياء (كيف تتفاعل الكائنات الحية مع البيئة، وكذلك مع بعضها البعض) والكيمياء (أشكال مختلفة العناصر الأساسية وحساسيتها للأكسجين أو الرقم الهيدروجيني).
ويجب أن تغطي هذه النماذج نطاقًا واسعًا من النطاقات، بدءًا من المياه الوطنية وحتى مساحات المحيطات المفتوحة.
ويجب أن يكونوا أيضًا قادرين على محاكاة الحالات القصوى، مثل موجات الحرارة البحرية، وإجراء عمليات المحاكاة على مدى مئات السنين.
في الوقت الحاضر، هناك القليل من الثقة، أو حتى الإجماع، على التنبؤات حول كيفية تفاعل الميكروبات البحرية مع التغيرات في المناخ. يجب على الباحثين في علم الأحياء الدقيقة البحرية، وعلم وظائف الأعضاء، والكيمياء الجيولوجية الحيوية، والنمذجة أن يوحدوا قواهم لمراقبة العمليات الميكروبية، وفهمها، وفي نهاية المطاف، تصميمها. وهنا، أوجز بعض المجالات ذات الأولوية.
حدود النماذج الحالية
توسعت نماذج المحيطات في نطاقها على مر السنين. في الأصل، تم بناؤها لتمثيل العمليات الفيزيائية، مثل الدورة الدموية واسعة النطاق ونقل الحرارة والملح.
وفي الثمانينيات والتسعينيات، أضيفت نسخ بسيطة من دورة الكربون. منذ العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أخذ العلماء في الاعتبار دور العوالق النباتية في دورة الكربون والمواد المغذية الأخرى، من خلال عمليات مثل التمثيل الضوئي، والحد من المغذيات (حيث يكون النمو محدودًا بسبب ندرة عنصر أساسي، مثل النيتروجين أو الحديد) افتراس.
تؤدي العوالق النباتية الموجودة في قاعدة السلسلة الغذائية ما يقرب من نصف عملية التمثيل الضوئي التي تحدث على الأرض. ويمكن تقييم تأثير الكائنات الحية باستخدام التركيز المحيطي لصبغة الكلوروفيل الضوئية، والتي يمكن تحديدها من خلال مراقبة الأقمار الصناعية.
ولكن لأسباب تتعلق بالكفاءة الحسابية، لم تتم نمذجة سوى مجموعة فرعية من المجموعات الرئيسية.
وهذا يشمل الدياتومات المكونة للزهرة. العوالق النباتية الصغيرة، مثل البروكلوروكوكوس والمكورات العنقودية، التي تهيمن على المناطق الفقيرة بالمغذيات في المحيط؛ ديازوتروف البكتيريا الزرقاء التي تثبت النيتروجين عن طريق تحويل الدينتروجين الخامل (N2) إلى الأمونيا الأكثر فائدة (NH3)؛ والكوكوليثوفوريدات التي تنتج أصدافًا من كربونات الكالسيوم (CaCO3).
وقد تم حساب هذه المجموعات باستخدام تمثيلات رياضية بسيطة للعوامل التي تنظم كتلتها الحيوية، مثل معدلات النمو والافتراس. ومن المفترض أن تتبع المجموعات “قانون الحد الأدنى”، والذي بموجبه يكون المورد الأقل وفرة هو ما يحد من معدلات النمو؛ لم يتم تضمين تأثير التقلبات في مستويات الموارد الأساسية الأخرى.
وفي السنوات الأخيرة، أصبحت مثل هذه النماذج البيوجيوكيميائية، جنباً إلى جنب مع التقديرات القائمة على المراقبة، جزءاً لا يتجزأ من الجهود المبذولة لتقييم تدفقات الكربون البشرية المنشأ المتراكمة في المحيطات، ومع ذلك، يظل من الصعب التنبؤ بالتغيرات في التدفقات البيولوجية الحاسمة بثقة مماثلة.
على سبيل المثال، من غير المعروف ما إذا كان معدل توليد الكتلة الحيوية بواسطة العوالق النباتية سيزيد أو ينقص في ظل سيناريوهات تغير المناخ المختلفة 1 .
ومثل هذه الفجوات المعرفية تعيق قدرة العلماء على فهم وإدارة وتخفيف آثار أزمة المناخ على صحة المحيطات والإمدادات الغذائية البحرية.
إن الفهم الضعيف للتغيرات المتوقعة في قاعدة السلسلة الغذائية له آثار ضخمة على النمذجة والتنبؤ على جميع المستويات، بما في ذلك علوم الأرض والبيئة، وكذلك على الاقتصاد العالمي.
جسر البيانات البيولوجية ونمذجة المحيطات
في العقد الماضي، أحدث التقدم التكنولوجي ثورة في قدرة العلماء على مراقبة ومراقبة العمليات البيولوجية المحيطية عبر الزمان والمكان. وتُستخدم بيانات الأقمار الصناعية لتقييم بيئة المحيطات من خلال التغيرات في الخصائص البصرية للمحيطات، وتعمل الروبوتات المستقلة على تحديد ملامح المحيطات، وتكشف عن الاختلافات في تركيزات المغذيات والكلوروفيل.
بالتوازي مع ذلك، أحدثت الطفرة في مناهج “الأومية” – مثل علم الجينوم، وعلم النسخ، وعلم البروتينات، وعلم التمثيل الغذائي – فهمًا على المستوى الجزيئي للوظيفة المعقدة للميكروبات البحرية.
يمكن لهذه الأساليب أن تساعد في إلقاء الضوء على دور الشبكات المعقدة للكائنات الحية المتفاعلة، وتقدير كيفية استجابة مجتمعات المحيطات المفتوحة للتغيرات البيئية المستقبلية.
كشفت الأعمال الناشئة التي تستخدم بيانات المحيطات البيوجيوكيميائية والكيميائية وبيانات الاستشعار عن بعد عن أوجه قصور في الجيل الحالي من نماذج المحيطات.
والجدير بالذكر أن هذه النماذج لا يمكنها إعادة إنتاج إجهاد الموارد أو ديناميكيات نمو العوالق النباتية (من حيث الاتجاهات أو التباين) . من المعروف الآن أن الموارد التي تجاهلتها النماذج سابقًا، مثل المنجنيز، والزنك، وفيتامينات ب5، تؤثر على نمو العوالق النباتية، ووظائف الأعضاء8.
علاوة على ذلك، يبدو أن قانون الحد الأدنى مبالغ فيه. في وقت سابق من هذا العام، توصلت جهود تركيبية واسعة النطاق إلى أن التحكم بأكثر من مورد واحد (على سبيل المثال، الحديد والنيتروجين) منتشر نسبيًا. توجد سيناريوهات “تقييد مشترك” مختلفة، حيث يمكن أن يحد عنصران مغذيان أو أكثر من النمو، سواء بشكل مستقل عن بعضهما البعض أم لا. يتم دعم هذا الترابط من خلال النتائج المستمدة من علم البروتينات، والتي تشير إلى أن الميكروبات البحرية تعاني في كثير من الأحيان من ندرة في موارد متعددة في وقت واحد 5، 9 .
يتم الآن نشر التقنيات الجينومية بشكل روتيني أثناء الرحلات البحثية ومسوحات المحيطات، ومع ذلك، فإن البيانات التي تولدها تظل غير مستغلة إلى حد كبير من قبل النماذج البيوجيوكيميائية للمحيطات المستخدمة في دراسات تغير المناخ، والتي تركز بدلا من ذلك على تمثيل المؤشرات البيولوجية أو البيوجيوكيميائية بالجملة (مثل تركيز العناصر الغذائية أو الكلوروفيل).
حان الوقت لإعادة التصميم
يجب على الباحثين الآن أن يجتمعوا معًا لدمج المعلومات البيولوجية والنظرة الثاقبة في النماذج البيوجيوكيميائية.
يجب معالجة العديد من القضايا للحد من عدم اليقين في استجابة ميكروبات المحيط للتغير العالمي. ويتعلق بعضها بنطاق تكيف الكائنات الحية، وأهمية التنوع الوظيفي والبيولوجي، وما إذا كانت مجموعات معينة من الكائنات الحية التي تؤدي وظائف بيوجيوكيميائية رئيسية تتأثر بشكل مختلف.
إن الطريقة التي يكتشف بها العلماء وينسبون التغيير في الأنظمة الميكروبية والبيوجيوكيميائية أمر بالغ الأهمية أيضًا. وأخيرا، يجب على الباحثين استكشاف أهمية ردود الفعل البيولوجية على البيئة (مثل ما إذا كان تدوير المركبات ذات الصلة بالمناخ أو الكيمياء الجيولوجية الحيوية يتأثر بالنشاط الميكروبي)؛ دور وحجم أي ردود فعل من الجهود المبذولة في المحيطات لإزالة ثاني أكسيد الكربون؛ واستدامة العمليات الحيوية مثل تثبيت النيتروجين أو إنتاج كربونات الكالسيوم.
يجري حاليًا نشر الأساليب الثلاثة التالية لمواجهة هذا التحدي، ولكنها تظل محدودة.
توسيع النماذج البيوجيوكيميائية. إن دمج مجموعات أخرى من الكائنات الحية 10 أو الموارد التي تحد من النمو 11 في النماذج يمكن أن يسمح باختبار واسع النطاق لمعرفة ما إذا كانت هذه الطبقات الإضافية من التفاصيل تؤثر على النتائج. لكن فائدة هذا النهج محدودة بسبب تعقيده الهائل.
وحتى النموذج الحالي الأكثر تفصيلاً سيواجه صعوبة في استيعاب المعايير التي تمثل التنوع البيولوجي الميكروبي بشكل مناسب وتأخذ في الاعتبار ظواهر مثل التحديد المشترك وكيفية استجابة الأنواع لبيئة متغيرة، لأن عمليات المحاكاة يجب أن تتم على نطاق عالمي وعلى المدى الطويل. .
استغلال الإحصائيات. يمكن للتقنيات الإحصائية التنبؤ بالتغيرات المتوقعة لنوع معين أو مجموعة بيئية معينة كدالة للتنبؤات المقاسة جيدًا (مثل درجة حرارة سطح البحر).
تستخدم هذه الأساليب الظروف البيئية من النماذج البيوجيوكيميائية للمحيطات أو مجموعات البيانات واسعة النطاق لبناء علاقات إحصائية مع البيانات البيولوجية التفصيلية حول وفرة الكائنات الحية أو شبكات التفاعل، على سبيل المثال.
وتُستخدم مثل هذه التقنيات على نطاق واسع لاستنتاج كيفية تأثير التغيرات البيئية على توزيع الكائنات الحية الرئيسية (مثل مجتمعات العوالق)12، كما أنها حساسة لكثافة عمليات الرصد.
ومع ذلك، يمكن تفويت مناطق أحيائية مهمة في بعض المناطق بسبب عدم كفاية أخذ العينات، ولا تأخذ الأساليب الإحصائية في الاعتبار أي تغييرات في العلاقة بين الأنواع محل الاهتمام وظروف المحيطات المحتملة في المستقبل. أدت مثل هذه القضايا إلى تنبؤات متعارضة، على سبيل المثال، حول كيفية تغير وفرة البروكلوروكوكوس بمرور الوقت.
استخدام النمذجة الأيضية الميكانيكية. يمكن أن تقترن النماذج المستندة إلى الأيضات الميكروبية التي كشفت عنها التقنيات الجينومية بالبيانات البيئية من الملاحظات أو النماذج البيوجيوكيميائية للمحيطات.
تتمتع هذه النماذج الأيضية الآلية بأكبر قدر من الإمكانات على المدى الطويل. تم استخدام بعضها لاستكشاف القيود المشتركة التي تشمل الحديد والمنجنيز وكيفية ارتباط فسيولوجيا الخلايا لسلالات مختلفة من البروكلوروكوكوس بتوزيعها على نطاق واسع.
في نهاية المطاف، يمكن للمرء أن يتخيل اقترانًا مباشرًا بين نماذج التمثيل الغذائي الآلي والنماذج البيوجيوكيميائية للمحيطات لتمكين التفاعل الديناميكي ثنائي الاتجاه بين التغير البيئي والصحة الميكروبية للمحيطات.
النظم البيولوجية البحرية
هناك حاجة إلى أدوات النمذجة التي تشمل جوانب النهج الثلاثة لمعالجة آثار التغير العالمي على النظم البيولوجية البحرية.
على سبيل المثال، يمكن لمجموعة من النماذج الأيضية الميكانيكية والنهج الإحصائية تبسيط تمثيل العمليات الخلوية الرئيسية، والتي يمكن بعد ذلك تحديد معالمها لمجموعات العوالق النباتية الرئيسية التي توسع النماذج البيوجيوكيميائية العالمية الحالية للمحيطات.
وبدلاً من ذلك، من الممكن أن يتم استبدال المكون البيولوجي بأكمله للجيل الحالي من النماذج البيوجيوكيميائية للمحيطات بنهج إحصائي. سيتم الإبلاغ عن ذلك من خلال نموذج استقلابي أو نموذج قائم على الجينوم يركز فقط على كيفية ارتباط التدفقات البيوجيوكيميائية الرئيسية (على سبيل المثال، تدوير المغذيات، أو إنتاج الأكسجين، أو كمية الكتلة الحيوية الناتجة عن العوالق النباتية) بالظروف البيئية المتغيرة.
وبشكل أكثر طموحًا، يمكن للفهم الأساسي الأكبر والتطورات الموازية في النظرية الرياضية والبيئية أن تستغل قوة الحوسبة المتنامية.
وهذا من شأنه أن يسهل نمذجة البيولوجيا الجزيئية الميكروبية، والتنوع البيولوجي، والدورات البيوجيوكيميائية من وجهة نظر ميكانيكية في نماذج المحيطات العالمية، مما يقلل من حالات عدم اليقين في التنبؤات من خلال زيادة الواقعية.
الخطوات التالية
وعلى مدى السنوات العشر إلى العشرين المقبلة، يجب على الممولين الاستثمار بشكل كبير في العلوم متعددة التخصصات، حتى يمكن تطوير الأدوات اللازمة لاستكشاف التأثيرات العالمية على النظم البيئية الميكروبية.
وستكون هناك حاجة إلى التعاون الدولي. العلماء الذين يعملون في البيولوجيا الجزيئية، وعلم الأحياء الدقيقة، وعلم المحيطات البيوجيوكيميائية، يقومون بالفعل بربط الجهود العالمية من خلال برنامج يسمى BioGeoSCAPES.
أحد مجالات التركيز المهمة هو تدريب جيل جديد من العلماء الذين يمكنهم العمل في مختلف التخصصات. ويجري هذا من خلال تشكيل مجموعة من زملاء BioGeoSCAPES في بداية حياتهم المهنية.
إن تطوير مجموعات بيانات قابلة للتشغيل البيني بناءً على بيانات مشتركة وخط أنابيب يغذي فهمًا جديدًا في نماذج تنبؤية محسنة أمر بالغ الأهمية إذا كان للعلماء أن ينتقلوا إلى جهد دولي أكثر تماسكًا ومشتركًا لتقييد تأثيرات تغير المناخ بشكل أفضل.
وفي نهاية المطاف، يجب تصميم هذه الجهود بحيث تغذي أنشطة التقييم التي تشرف عليها المجموعات التي ترعاها الأمم المتحدة، مثل الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ والمنصة الحكومية الدولية للعلوم والسياسات في مجال التنوع البيولوجي وخدمات النظم البيئية.
تعد التوقعات النموذجية التي تأخذ في الاعتبار العمليات الميكروبية البحرية بدقة أفضل وثقة أكبر أمرًا بالغ الأهمية للتنبؤات المناخية. ولا يمكن تحقيقها إلا من خلال كسر الصوامع التأديبية.
