ในเดือนกันยายน 2017 นักประดาน้ำได้สังเกตเห็น ‘เขตมรณะ’ ขนาดใหญ่ที่ปกคลุมแนวปะการังแคริบเบียนในเมืองโบกัส เดล โตโร ประเทศปานามา Smithsonian post-docs ได้จัดตั้งทีมขึ้นเพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมสัตว์ในแนวปะการังจึงหนีไป และบทบาทของมนุษย์ในประวัติศาสตร์ของการขาดออกซิเจน
“มันเป็นวันที่อากาศอบอุ่นและงดงามในปลายเดือนกันยายน 2017 และเรารู้สึกโชคดีมากที่ได้อยู่ในสถานที่ที่น่าตื่นตาตื่นใจเช่นนี้” แม็กกี้กล่าว “น้ำราบเรียบเป็นพิเศษ และทันใดนั้น ขณะที่เรากำลังดำน้ำตื้น เราเห็นชั้นน้ำขุ่นที่อยู่ใต้เรือ ปลากำลังลอยอยู่เหนือมัน และดาวเปราะบางและหอยทากก็กองทับกัน พยายามหลบหนี ราวกับระเบิดได้หายไป เมื่อกลับมาที่ผิวน้ำ เราถูกกลิ่นอันน่าสยดสยอง เหมือนกับถังอาหารทะเลที่เน่าเปื่อย”
คนแรกที่สังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของสัตว์ประหลาดที่ขุ่นนี้จากส่วนลึกของอ่าว Almirante ใกล้ชายแดนปานามากับคอสตาริกาคือ Maggie Johnson นักศึกษาปริญญาเอกในโครงการตรวจสอบระยะยาวของ MarineGEO และ STRI Intern, Lucia Rodriguez
ไม่มีใครรู้ว่าอะไรเป็นสาเหตุของการขาดออกซิเจนในมหาสมุทรอย่างฉับพลัน ซึ่งทำให้ออกซิเจนในมหาสมุทรลดลงอย่างรวดเร็ว เช่นเดียวกับไฟป่า การขาดออกซิเจนจะฆ่าทุกสิ่งที่ไม่สามารถเดินหรือว่ายน้ำให้พ้นจากอันตรายได้ เป็นครั้งแรกที่ทีมงานของสถาบันวิจัยเขตร้อนสมิ ธ โซเนียน (STRI) ในปานามาได้บันทึกเหตุการณ์ขาดออกซิเจนในแนวปะการังแคริบเบียน ทีมที่สองใช้แนวทางใหม่เพื่อค้นหาสัญญาณของเหตุการณ์ขาดออกซิเจน เนื่องจากผู้คนตั้งรกรากที่ชายฝั่งในช่วง 2000 ปีที่ผ่านมา ผลงานเสริมของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในวารสารNature Communications and Ecography
ทั้งสองกลับไปที่สถานีวิจัย Bocas del Toro Research Station (BRS) ของ STRI ซึ่งพวกเขาได้โน้มน้าวให้โพสต์เอกสารในโครงการอื่นๆ อย่างตื่นเต้นเพื่อช่วยจัดทำเอกสารว่ามีอะไรเกิดขึ้นบ้าง
Noelle Lucey ทำงานใน Bocas เกี่ยวกับผลกระทบของออกซิเจนต่ำต่อสิ่งมีชีวิตในแนวปะการังเขตร้อน
“เราได้ติดตามภาวะขาดออกซิเจนในอ่าวเป็นประจำทุกสัปดาห์” Noelle กล่าว แต่เหตุการณ์กะทันหันนี้ทำให้เราตระหนักว่าเราจำเป็นต้องใส่โพรบเพิ่มเติมในอ่าวเพื่อวัดออกซิเจนอย่างต่อเนื่องที่ตำแหน่งและระดับความลึกต่างๆ ในกลุ่มใหญ่ เราได้บันทึกสภาพร่างกายในน้ำที่ระดับความลึกทั้งหมด 83 จุดในหนึ่งวัน เพียงหกวันหลังจากที่แม็กกี้และลูเซียสังเกตเห็นเหตุการณ์ครั้งแรก เราได้ภาพที่ดีของออกซิเจนทั่วอ่าวด้วยความช่วยเหลือจากทุกคนที่สถานี”
Noelle ได้สร้างแผนที่ที่แสดงให้เห็นว่าระดับออกซิเจนแตกต่างกันอย่างไรระหว่างน้ำนิ่งในอ่าวและพื้นที่ที่ใกล้กับมหาสมุทรเปิดซึ่งการกระทำของคลื่นผสมและเติมออกซิเจนในน้ำ ลึกลงไปในอ่าวอัลมิรานเต้ น้ำเกือบจะสมบูรณ์โดยไม่มีออกซิเจน มีการหมุนเวียนเพียงเล็กน้อย และสารอาหารทั้งหมดจากน้ำเสียและปุ๋ยที่ไหลบ่ามาจากสวนกล้วยจะสะสม
โนเอลอยากรู้ว่าสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังในทะเลรับมือกับออกซิเจนต่ำได้อย่างไร “ระหว่างงาน ฉันตกใจมากที่เห็นสิ่งมีชีวิตในแนวปะการังพยายามหนีจากแหล่งน้ำที่เป็นพิษด้านล่าง ซึ่งคนอื่น ๆ ตายไปแล้ว” Noelle กล่าว “สิ่งที่ฉันพบว่าน่าสนใจเป็นพิเศษคือดวงดาวที่เปราะบาง คุณสามารถเห็นพวกมันอ้าปากค้างเพื่อสูดออกซิเจนโดยอ้าปากกว้าง แต่พวกมันยังมีชีวิตอยู่ คำถามใหญ่สำหรับฉันคือการระบุความแตกต่างระหว่างความยาวของเหตุการณ์ขาดออกซิเจนเหล่านี้และระยะเวลาที่สัตว์ในแนวปะการังสามารถอยู่รอดได้โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจนมากนัก”
จุลินทรีย์
Post-docs Jarrod Scott และ Matthieu Leray รวบรวมตัวอย่างน้ำทะเลและใช้เทคนิคระดับโมเลกุลเพื่อค้นหาว่าชุมชนจุลินทรีย์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในระหว่างงาน พวกเขาพบว่าในขณะที่ปะการังอาจใช้เวลาหลายปีกว่าจะฟื้นตัว จุลินทรีย์ในน้ำก็ฟื้นตัวภายในหนึ่งเดือน ซึ่งบ่งชี้ว่าการฟื้นตัวของจุลินทรีย์นั้นแยกออกจากชะตากรรมของสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ในชุมชน
“นี่เป็นโอกาสสำหรับเราที่จะนำจุลชีววิทยาในบริบททางนิเวศวิทยาที่กว้างขึ้น” Jarrod กล่าว “ฉันรู้สึกประหลาดใจที่สุดที่ชุมชนจุลินทรีย์ฟื้นตัวอย่างรวดเร็วและสมบูรณ์” เขากล่าว “ฉันคาดว่ามันจะฟื้นตัวในที่สุด แต่อย่ากลับไปเป็นเหมือนเดิมโดยพื้นฐานก่อนเกิดเหตุการณ์ขาดออกซิเจน”
ทีมวิเคราะห์จีโนมของจุลินทรีย์ที่เจริญเติบโตภายใต้สภาวะขาดออกซิเจน และพบยีนจำนวนมากที่บ่งชี้ถึงการปรับตัวให้เข้ากับสภาวะออกซิเจนต่ำ ทว่าจุลินทรีย์จำนวนมากที่ Jarrod และ Matt ตรวจพบในตัวอย่างน้ำที่ขาดออกซิเจนนั้นขาดออกซิเจนอย่างสมบูรณ์จากน้ำ แล้วถ้าจุลินทรีย์เหล่านี้ไม่มีอยู่ในสภาวะปกติของออกซิเจน มันจะมาจากไหน?
เมื่อเปรียบเทียบจุลชีพที่ขาดออกซิเจนหลักสองชนิดกับข้อมูลที่เปิดเผยต่อสาธารณะ พบว่าจุลินทรีย์เหล่านี้สัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับสิ่งมีชีวิตที่พบในตะกอนทะเล หอย โรงบำบัดน้ำเสีย และแหล่งอาหารสัตว์—สภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนต่ำ ทว่า ณ จุดนี้นักวิจัยไม่สามารถระบุได้อย่างชัดเจนว่าจุลินทรีย์เหล่านี้อาศัยอยู่ที่ใด
“เราดูเฉพาะจุลินทรีย์ในตัวอย่างน้ำทะเลเท่านั้น” Jarrod กล่าว “แล้วจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปะการังหรือสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังในทะเลล่ะ? หรือมีตะกอน? สภาพแวดล้อมเหล่านี้สามารถเป็นแหล่งของจุลินทรีย์ที่ขาดออกซิเจนได้หรือไม่? นอกจากนี้เรายังพบว่าจำนวนไวรัสลดลงในช่วงเหตุการณ์ขาดออกซิเจน เรารู้ว่าไวรัสอาจมีความสำคัญต่อการเผาผลาญในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด รวมถึงจุลินทรีย์และสาหร่าย แต่เราไม่แน่ใจว่าพลวัตของชุมชนไวรัสเกี่ยวข้องกับการขาดออกซิเจนอย่างไร ยังมีอีกมากให้เรียนรู้เกี่ยวกับชุมชนจุลินทรีย์ที่เจริญเติบโตภายใต้สภาวะขาดออกซิเจนเฉียบพลัน” เขากล่าว
ปะการัง
จุดสนใจดั้งเดิมของ post-doc ของ Maggie คือการตรวจสอบผลกระทบของอุณหภูมิและการทำให้เป็นกรดของมหาสมุทรต่อแนวปะการัง โดยทำงานอย่างใกล้ชิดกับ Andrew Altieri อดีตนักวิทยาศาสตร์ STRI ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยฟลอริดา ระหว่างงานแม็กกี้ได้จัดทำการสำรวจและรวบรวมปะการังสองแห่ง ประมาณ 30% ของพื้นที่แนวปะการังถูกปกคลุมด้วยปะการังที่มีชีวิตก่อนเหตุการณ์ 15% หลังเหตุการณ์และ 20% ในปีต่อมา
“มันเหลือเชื่อมากที่คิดว่าชุมชนปะการังเหล่านี้บางแห่งอยู่ที่นั่นมาเป็นเวลา 100 ปีหรือมากกว่านั้น และทันใดนั้นพวกมันก็ถูกทำลายในหนึ่งสัปดาห์”
“เราคิดว่าชุมชนปะการังในน่านน้ำชายฝั่งทะเลตื้นมักไม่มีภาวะขาดออกซิเจน” แม็กกี้กล่าว “แต่น้ำขาดออกซิเจนเข้ามาใกล้ผิวน้ำ ปะการังส่วนใหญ่ที่มีความสูงต่ำกว่า 7 เมตร (21 ฟุต) ตาย แต่ปะการังในน้ำ 3 เมตร (9 ฟุต) รอดชีวิตมาได้ คุณสามารถพูดได้ว่า 50% ของปะการังในน้ำตื้นตาย หรือคุณอาจพูดได้ว่า 50% รอดชีวิตและสงสัยว่าพวกมันทำได้อย่างไร”
ตัวอย่างของAgaricia tenuifoliaซึ่งเป็นสายพันธุ์ปะการังที่พบได้ทั่วไปในแถบแคริบเบียน สูญเสียกลุ่มสิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมด เมื่อแม็กกี้เห็นว่าภาวะขาดออกซิเจนอาจทำให้เกิดการฟอกขาวแบบเดียวกับที่เคยโทษว่าก่อนหน้านี้มีอุณหภูมิสูง เธอจึงเปลี่ยนจุดสนใจในการวิจัยของเธอ
ตอนนี้แม็กกี้มีงานหลังปริญญาเอกที่สถาบันสมุทรศาสตร์วูดส์โฮลและกำลังทำการทดลองที่สถานีสมิธโซเนียนนาวิกโยธินที่ฟุต เพียร์ซ, ฟลอริดา. ดูเหมือนว่าปะการังบางชนิดสามารถทนต่อสภาวะขาดออกซิเจนเป็นเวลาหลายสัปดาห์ ดังนั้นจึงต้องมีเครื่องมือในการรับมือกับออกซิเจนต่ำ เมื่อปะการังสังเคราะห์แสงในระหว่างวัน พวกมันจะปล่อยออกซิเจน ซึ่งอาจช่วยลดปริมาณการขาดออกซิเจนที่เกิดขึ้น โดยเฉพาะในน้ำตื้น
มุมมองระยะยาว
โบกัส เดล โทโรสามารถเป็นสถานที่ในการค้นหาว่าการควบคุมการไหลบ่าสามารถหยุดหรือจำกัดเหตุการณ์ที่เป็นพิษได้หรือไม่?
Rachel Collin ผู้อำนวยการสถานีวิจัย Bocas กล่าวว่า “เราไม่รู้ว่าภาวะขาดออกซิเจนนั้นเกิดจากสารอาหารที่ไหลบ่าจากสวนกล้วยและน้ำเสียมากน้อยเพียงใด หรือภาวะขาดออกซิเจนเป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นเสมอมา
STRI post-doc, Blanca Figuerola ร่วมมือกับนักบรรพชีวินวิทยา STRI, Aaron O’Dea เพื่อดูว่าพวกเขาสามารถใช้ฟอสซิลหอยและไอโซโทปจากเปลือกหอยเพื่อสอบถามว่าเหตุการณ์ขาดออกซิเจนได้เกิดขึ้นในอดีตหรือไม่ และสาเหตุหลักเกิดจากอิทธิพลของมนุษย์หรือไม่ หรือเป็นกระบวนการทางธรรมชาติมานับพันปี
เพื่อดูว่าแนวปะการังเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในช่วง 2000 ปีที่ผ่านมา ทีมงานของพวกเขาได้ดึงแกนแนวปะการังสี่แกนโดยการขับท่อโลหะเข้าไปในแนวปะการังน้ำตื้น แนวปะการังหนึ่งประสบภาวะขาดออกซิเจนในปัจจุบัน และอีกแกนหนึ่งไม่เกิด – ตามข้อมูลที่รวบรวมโดย Noelle และอีกสองแกน จากส่วนลึกของแนวปะการังที่สัมผัสกับการขาดออกซิเจนผ่านเมทริกซ์ของปะการังที่แตกแขนงตายในสกุลPorites
แกนทั้งหกถูกแบ่งออกเป็น 69 ตัวอย่าง ใช้อายุของเศษปะการังในแต่ละตัวอย่างเพื่อสร้างไทม์ไลน์ สำหรับแต่ละตัวอย่าง Blanca จำแนกหอยแต่ละชนิด (รวมเกือบ 15,000 ตัวอย่าง) ตามบทบาทของมันในระบบนิเวศ (เช่น สัตว์กินพืช สัตว์กินเนื้อ หรือปรสิต) และสังเกตการเพิ่มขึ้นในอดีตของสัดส่วนของสัตว์กินพืชและการลดลงของค่าไอโซโทปคาร์บอนที่ ความลึกมากขึ้น บ่งบอกว่าน้ำที่ขาดออกซิเจนได้ไหลลงสู่แนวปะการังและปิดตัวลงเมื่อประมาณ 1500 ปีก่อน
“เราพบสัญญาณที่คล้ายกันในส่วนตื้นของแนวปะการังที่ขาดออกซิเจนในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ซึ่งบ่งชี้ว่าการขาดออกซิเจนอาจขยายไปสู่ระดับที่ตื้นขึ้น” บลังกากล่าว
ทีมงานพบว่าช่วงเวลาของการปิดแนวปะการังในแนวลึกนั้นเกิดขึ้นพร้อมกับไม่มีการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศที่สำคัญที่ทราบ แต่เกิดขึ้นพร้อมกับการขยายตัวของประชากรมนุษย์ในภูมิภาค (ตามที่สังเกตในแหล่งโบราณคดี) ชี้ให้เห็นว่าการกวาดล้างที่ดินอาจส่งเสริมการเพิ่มขึ้นของการขาดออกซิเจน โดยการเติมสารอาหารที่ไหลบ่าลงสู่อ่าว
“ข้อมูลทางประวัติศาสตร์เหล่านี้มีคำเตือนที่ชัดเจน” แอรอนกล่าว “แนวปะการังทั้งหมดยอมจำนนต่อเหตุการณ์ขาดออกซิเจนเหล่านี้ในอดีต พวกเขากลายเป็นเศษหินหรืออิฐและไม่เคยฟื้นตัว หากมลพิษไม่ถูกควบคุมบริเวณที่ตื้น แนวปะการังที่มีสุขภาพสมบูรณ์แข็งแรงก็อาจมองเห็นชะตากรรมเดียวกันได้”
“เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นที่พบว่า microgastropods อาจเป็นบันทึกที่มีประสิทธิภาพของสภาวะขาดออกซิเจนในอดีตและสามารถให้สัญญาณเตือนการเปลี่ยนแปลงในอนาคตของแนวปะการังได้” Blanca ผู้ซึ่งหวังว่าจะสามารถทำซ้ำการศึกษาเกี่ยวกับแนวปะการังอื่น ๆ ได้โดยใช้ ตัวแทนทางธรณีเคมีและชีวภาพที่หลากหลาย
พายุที่สมบูรณ์แบบ
“นี่เป็นพายุที่สมบูรณ์แบบจริงๆ” แม็กกี้กล่าว “เราโชคดีมากที่ได้พบเหตุการณ์ภาวะขาดออกซิเจนเฉียบพลันที่กำลังดำเนินอยู่ และได้ทำงานร่วมกับแพทย์อื่นๆ ที่สถานีซึ่งศึกษาแนวปะการังหลายแง่มุมและให้มุมมองระยะยาว ออกซิเจนที่ละลายในน้ำไม่ใช่สิ่งที่คนส่วนใหญ่เฝ้าติดตามในแนวปะการัง เราต้องการสร้างความตระหนักรู้ถึงความสำคัญของการขาดออกซิเจนทั่วโลก”
สถาบันวิจัยเขตร้อนสมิธโซเนียน ซึ่งมีสำนักงานใหญ่อยู่ที่เมืองปานามาซิตี้ ประเทศปานามา เป็นหน่วยงานหนึ่งของสถาบันสมิธโซเนียน สถาบันส่งเสริมความเข้าใจเกี่ยวกับความหลากหลายทางชีวภาพในเขตร้อนชื้นและความสำคัญต่อสวัสดิภาพของมนุษย์ ฝึกอบรมนักศึกษาให้ดำเนินการวิจัยในเขตร้อน และส่งเสริมการอนุรักษ์โดยเพิ่มความตระหนักของสาธารณชนเกี่ยวกับความงามและความสำคัญของระบบนิเวศเขตร้อน วีดีโอโปรโมท .
