Kaja Bałazy
Alczyki – drobne ptaki morskie o ogromnym znaczeniu w Arktyce. Fot. Piotr Bałazy
Arktyka to jedno z najszybciej zmieniających się środowisk na Ziemi. W ostatnich kilkunastu latach zmiany klimatyczne stały się tam szczególnie widoczne: pokrywa lodowa kurczy się w błyskawicznym tempie, temperatury rosną, a krajobraz, który jeszcze do niedawna wydawał się niezmienny, przechodzi metamorfozę na naszych oczach. Naukowcy i badacze, którzy regularnie uczestniczą w arktycznych ekspedycjach, dostrzegają te zmiany każdego roku. Bywają sezony, kiedy w Arktyce można spacerować w T-shircie, co jeszcze niedawno wydawałoby się nie do pomyślenia.
Nie tylko klimat, ale i całe ekosystemy Arktyki ulegają przekształceniom. Ciepłolubne gatunki roślin i zwierząt coraz śmielej zasiedlają północ, podczas gdy te typowo arktyczne, przystosowane do surowych warunków, wycofują się w stronę chłodniejszych obszarów. Aby lepiej zrozumieć tempo i kierunek tych zmian, niezbędny jest stały monitoring i wykorzystywanie nowoczesnych narzędzi badawczych. Jednak prowadzenie badań w tym rejonie świata to nie lada wyzwanie, wymaga olbrzymich nakładów finansowych, a ekspedycje ograniczają się do krótkich, sezonowych „okien pogodowych”, gdy dostęp do Arktyki jest w ogóle możliwy.
Jednym z najbardziej niezawodnych i niedocenianych sposobów na badanie stanu ekosystemów arktycznych jest analiza… diety ptaków morskich. Ptaki te są doskonałymi bioindykatorami, ponieważ łączą w sobie dwa światy: żywią się w morzu, ale gniazdują na lądzie, co sprawia, że przenoszą materię i składniki odżywcze między ekosystemami. Są także wyjątkowo selektywne w wyborze pokarmu – instynkt nakazuje im poszukiwać najwartościowszego pożywienia przy jak najmniejszym wydatku energetycznym. Czyli że to, co znajdziemy w ich diecie, jest najlepszym odbiciem warunków panujących w ich kluczowych żerowiskach.
Niektóre gatunki ptaków morskich potrafią dziennie pokonywać setki kilometrów, nurkując w oddalonych od kolonii miejscach, nierzadko w pobliżu krawędzi lodu, by dostarczyć swoim pisklętom wysokoenergetyczny pokarm. Pobranie próbek diety tych ptaków pozwala badaczom uzyskać informacje o tym, jakie organizmy dominują w danym sezonie w ekosystemach morskich, a co za tym idzie, jak zmienia się dostępność kluczowych zasobów pokarmowych. Tak wielu zróżnicowanych danych z tak rozległych obszarów nie da się uzyskać nawet podczas najbardziej rozbudowanych rejsów badawczych.
Pełen tłuszczu i kolorowych karotenoidów największy przedstawiciel z rodzaju Calanus osiągający rozmiar ok 7 mm – C. hyperboreus w próbce diety alczyka. Fot. Kaja Bałazy
Wśród arktycznych ptaków morskich na szczególną uwagę zasługują alczyki (Alle alle), małe, charyzmatyczne alkowate, które dostarczają naukowcom unikatowej możliwości badania diety w stanie niemal nienaruszonym. Alczyki mają wyjątkową cechę – przenoszą pokarm dla swoich piskląt w specjalnym worku podjęzykowym. Dzięki temu badacze mogą pobierać świeże próbki, co jest etycznym i niezwykle skutecznym sposobem na analizę składu diety.
O ich wyjątkowości decyduje także fakt, że alczyki są niezwykle selektywnymi drapieżnikami, skutecznie wybierającymi tłuste, wysokoenergetyczne drobne skorupiaki. To właśnie widłonogi z rodzaju Calanus są ich ulubionym pokarmem, który najlepiej pozwala zrekompensować wysokie koszty energetyczne ponoszone podczas dalekich lotów w poszukiwaniu pokarmu w trudnym okresie karmienia piskląt. Co więcej, widłonogi te stanowią ulubiony pokarm nie tylko alczyków, ale także innych przedstawicieli wyższych poziomów troficznych. Można powiedzieć, że są główną arktyczną bazą pokarmową. Zatem to, czego dowiemy się o nich badając próbki diety alczyków, możemy odnieść także do innych zwierząt i spojrzeć szerzej w kontekście funkcjonowania całych arktycznych sieci troficznych.
Alczyki występują najliczniej w północnych rejonach polarnych i są uważane za ekologiczny wskaźnik zmieniającej się Arktyki. Żywią się głównie widłonogami Calanus bogatymi w tłuszcze; głównie dwoma bliźniaczymi gatunkami C. glacialis i C. finmarchicus na Svalbardzie, a także największym C. hyperboreus na Grenlandii. Ponieważ udział gatunków Calanus w diecie tych ptaków jest często traktowany jako sygnał atlantyfikacji, ich właściwa identyfikacja i długoterminowy monitoring mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia zachodzących zmian wywołanych klimatem w ekosystemach morskich Arktyki oraz tego, w jaki sposób drapieżniki morskie, takie jak alczyki, reagują na te zmiany.
Z diety ptaków można wiele wyczytać. Nasze ostatnie obserwacje ze Svalbardu wykazały, że klasyfikacja morfologiczna gatunków Calanus może prowadzić do błędnej interpretacji plastyczności żerowania alczyków. Po raz pierwszy przeprowadzono weryfikację gatunków Calanus za pomocą narzędzi molekularnych w próbkach diety alczyków. Nasze badania wykazały, że wyższe koszty ptaków narażonych na Atlantyfikację, mogą w rzeczywistości wynikać głównie ze zmniejszenia wielkości widłonogów Calanus, a nie z zastępowania gatunków związanych z wodami zimnymi przez gatunki ciepłolubne, jak wcześniej uważano. Wyniki naszych badań wskazały na silną potrzebę włączenia metod molekularnych do przyszłych badań nad tymi ważnymi ekologicznymi wskaźnikami atlantyfikacji Arktyki i weryfikacji tych istniejących. Projekt ten zrealizowałam m.in. dzięki wsparciu finansowemu z Narodowego Centrum Nauki w konkursie Miniatura 4 (2020/04/X/NZ8/00574) oraz Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej, odbywając półroczny staż na Uniwersytecie w Tromsø, gdzie samodzielnie dokonałam identyfikacji obszernego materiału osobników Calanus, szkoląc się pod okiem doświadczonych genetyków.
Dzięki uzyskanym ważnym wynikom i zdobytemu doświadczeniu weryfikację genetyczną gatunków Calanus wprowadziłam na stałe i samodzielnie wykonuję w Instytucie Oceanologii PAN w ramach wielu projektów. W przyszłości mam w planach przeprowadzić taką weryfikację molekularną w diecie alczyków w szerszej perspektywie czasowej, by w ten sposób potwierdzić nasze wnioski, biorąc pod uwagę inne miejsca rozrodu, takie jak te na Grenlandii. Jest to niezwykle ważne, zwłaszcza że na Grenlandii znajduje się znakomita większość światowej populacji alczyków (~89%). Co więcej, oba rejony (Grenlandia i Svalbard) różnią się pod względem warunków środowiskowych, a tym samym dostępności (i spożycia) różnych gatunków Calanus przez alczyki. Niewiele też wiemy o reakcji na zmiany klimatyczne największego Calanus hyperboreus, dominującego w wodach Grenlandii i odgrywającego kluczową rolę w funkcjonowaniu troficznych sieci pokarmowych Arktyki. Taka weryfikacja będzie możliwa dzięki ścisłej współpracy z naukowcami z French National Centre for Scientific Research, którzy przekazali mi do badań materiał próbek diety alczyków z ostatnich dwóch dekad.
Alczyki i ich pokarm stanowią kluczowy obiekt moich badań także nad rolą karotenoidów w ekosystemach arktycznych. Karotenoidy to barwniki obecne w organizmach morskich, odgrywające istotną rolę zarówno w zdrowiu ptaków, jak i w funkcjonowaniu całego ekosystemu. Karotenoidy to naturalne związki chemiczne, które można łatwo rozpoznać dzięki ich intensywnym barwom – od jasnożółtej po ciemnoczerwoną. Przykładem jest pomarańczowy β-karoten, a także astaksantyna, która nadaje mięsu łososia charakterystyczny kolor. Karotenoidy pełnią kluczową rolę jako przeciwutleniacze, chroniąc komórki przed uszkodzeniami. Szczególnie silne działanie antyoksydacyjne i regeneracyjne wykazują karotenoidy pochodzenia morskiego. Mogą one także pełnić funkcję fotoprotekcyjną, pomagając ograniczać negatywne skutki promieniowania UV pochodzącego ze słońca. Co ciekawe, zwierzęta nie są w stanie samodzielnie syntetyzować karotenoidów, jednak mogą je przyswajać i przekształcać wraz z pożywieniem.
Ich obecność w diecie alczyków dostarcza cennych informacji o jakości pożywienia oraz stanie arktycznych wód. Badania te prowadzę w ramach projektu ORANGE „Kiedy kolor ma znaczenie – kluczowe gatunki zooplanktonu arktycznego jako źródło karotenoidów dla ptaków morskich w okresie lęgowym”, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki w konkursie OPUS-21 (2021/41/B/NZ8/03830).
Do tej pory zmienność karotenoidów w tłuszczach dwóch gatunków Calanus (C. glacialis i C. finmarchicus) oraz innych przedstawicieli zooplanktonu w kontekście zapotrzebowania ich głównego drapieżnika, alczyka, nie została zbadana. Brakuje również badań nad znaczeniem i zmiennością karotenoidów w diecie alczyków. Jest to szczególnie interesujący temat, ponieważ u ptaków karotenoidy zwykle wpływają na barwne upierzenie, co w przypadku czarno-białych alczyków wydaje się nieistotne. W ich przypadku kluczową rolę mogą odgrywać właśnie właściwości antyoksydacyjne tych związków, ich udział w odpowiedzi immunologicznej oraz znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania zmysłu wzroku. Do tej pory wpływ karotenoidów na kondycję i przeżywalność alczyków nie był badany, dlatego temat ten stał się głównym obszarem moich analiz.
Typowo arktyczny fiord Hornsund – to tutaj znajduje się jedna z największych kolonii alczyków na Svalbardzie. Fot. Piotr Bałazy
Na początku projektu postawiłam hipotezę, że zawartość karotenoidów będzie różna na każdym poziomie łańcucha pokarmowego – od protistów, przez widłonogi, aż po alczyki, a różnice te będą zależne od dominujących warunków środowiskowych, czyli odmienne dla regionów o różnym wpływie zimnych kontra cieplejszych mas wodnych. Ponieważ różne gatunki skorupiaków stanowiących dietę alczyków wykazują różne strategie odżywiania, akumulacji tłuszczu i reprodukcji w zależności od warunków środowiskowych, założyłam, że poziom karotenoidów będzie u tych gatunków odmienny, zmieniając się w zależności od lokalnych uwarunkowań. Spodziewam się, że te różnice znajdą odzwierciedlenie w poziomie i składzie karotenoidów we krwi alczyków, co może wpływać na ich kondycję i przeżywalność. Jest to szczególnie istotne, ponieważ widłonogi Calanus mogą stanowić jedyne źródło karotenoidów w diecie tych wyjątkowo selektywnych ptaków.
Dotychczasowe wyniki potwierdzają, że największą zawartość karotenoidów zarówno w diecie, jak i we krwi ptaków wykazują alczyki z jednej z kolonii na Svalbardzie. Obszar ten charakteryzuje się typowo arktycznym środowiskiem, a na żerowiskach dominują zimne masy wodne. Dieta tych ptaków jest wyraźnie zdominowana przez widłonogi Calanus, szczególnie arktyczny C. glacialis, co może tłumaczyć wysoką zawartość karotenoidów. Badania są w toku, a ich podsumowanie planuję opublikować już wkrótce. Na ilość karotenoidów u alczyków mogą jednak wpływać liczne czynniki, nie tylko lokalizacja kolonii czy skład diety, ale także inne aspekty, takie jak poziom zanieczyszczeń.
Dieta alczyków, składająca się głównie z drobnych skorupiaków, dostarcza im nie tylko niezbędnych tłuszczów i ważnych barwników, ale także zanieczyszczeń, których ilość w Arktyce systematycznie rośnie. Szczególnie niebezpiecznym związkiem, nawet w śladowych ilościach, jest rtęć. Pomimo relatywnie niskiego poziomu industrializacji, regiony arktyczne są wyjątkowo narażone na wysokie stężenia tego toksycznego metalu. Globalne ocieplenie dodatkowo pogłębia problem, powodując topnienie lodowców i uwalnianie zgromadzonych w nich metali ciężkich do ekosystemu morskiego.
W morskiej sieci troficznej toksyny takie jak rtęć zaczynają się kumulować już na poziomie drobnych organizmów planktonowych. Zmiany zachodzące w fitoplanktonie i zooplanktonie mają bezpośredni wpływ na to, ile rtęci przenika do wyższych ogniw łańcucha pokarmowego, w tym do dużych drapieżników – wielorybów, niedźwiedzi polarnych, a w konsekwencji ludzi. W Arktyce kluczową rolę w tej sieci odgrywają widłonogi z rodzaju Calanus, które stanowią podstawowe źródło tłuszczu dla wielu ryb, ssaków i ptaków. Te niewielkie skorupiaki nie tylko dostarczają energii, ale także przenoszą zanieczyszczenia, które drapieżniki następnie akumulują i przekazują potomstwu oraz do środowiska.
Rtęć ma destrukcyjny wpływ na organizmy żywe, działając odwrotnie niż korzystne karotenoidy – upośledza funkcjonowanie układu nerwowego, osłabia reakcje obronne organizmu i w dłuższej perspektywie zmniejsza sukces reprodukcyjny oraz zwiększa śmiertelność. Aby uzyskać pełniejszy obraz wpływu diety i zmian środowiskowych na alczyki oraz funkcjonowanie ekosystemów arktycznych, do badań nad karotenoidami dołączyłam analizy dotyczące właśnie zanieczyszczenia rtęcią. Ich realizacja jest możliwa dzięki finansowaniu przez Narodowe Centrum Nauki projektu ZOOM „Przybliżenie obiegu rtęci: zooplankton w diecie ptaków morskich jako wskaźnik zanieczyszczenia ekosystemów Arktyki”, realizowanego w ramach konkursu OPUS 26 (2024/53/B/NZ8/03196).
Ptaki morskie pełnią rolę istotnych bioindykatorów zanieczyszczenia środowiska na całym świecie. W Arktyce alczyki są idealnym modelem do badań nad bioakumulacją i biomagnifikacją toksyn ze względu na swoją liczną populację, specyficzną dietę opartą na widłonogach Calanus oraz wysoką pozycję w łańcuchu pokarmowym. Pomimo istniejących badań dotyczących zanieczyszczenia rtęcią ptaków morskich, w tym alczyków, wciąż istnieje znacząca luka badawcza dotycząca głównego wektora tego toksycznego pierwiastka – zooplanktonu. Projekt ZOOM ma na celu jej wypełnienie poprzez analizę obiegu rtęci w ekosystemach Arktyki, ze szczególnym uwzględnieniem roli zooplanktonu jako kluczowego nośnika najbardziej toksycznej formy rtęci, metylortęci, dla wyższych poziomów troficznych. Badania będą koncentrować się na śledzeniu przepływu rtęci w sieci pokarmowej – od protistów, przez widłonogi i inne gatunki morskich skorupiaków obecnych w diecie alczyków, aż po drapieżne ptaki – w różnych rejonach hydrograficznych, pod wpływem atlantyfikacji, pacyfikacji i zmian klimatycznych.
Badania realizowane w ramach wspomnianych projektów dostarczą pełnej wiedzy na temat jakości diety ptaków, jej zmienności w czasie oraz przestrzeni. Projekty te oparte są na próbkach zebranych z najważniejszych kolonii alczyków z Grenlandii oraz Svalbardu, dzięki szerokiej współpracy międzynarodowej. Nasze wstępne obserwacje wskazują na wyższe poziomy rtęci u alczyków gnieżdżących się w Grenlandii w porównaniu do tych na Svalbardzie. Różnice te wynikają z odmiennego składu diety oraz różnych lokalizacji kolonii. Na Grenlandii obserwujemy znaczący udział w diecie największego przedstawiciela rodzaju Calanus – C. hyperboreus, a także inny udział składników dodatkowych, tzw. suplementów. Dodatkowo, w regionie Grenlandii występuje większe narażenie na rtęć niż w innych arktycznych lokalizacjach geograficznych.
W ramach projektu zastosowane zostaną zaawansowane narzędzia badawcze, takie jak analizy całkowitej rtęci i metylortęci, badania genetyczne, analizy składu lipidowego i stabilnych izotopów. Planujemy również przeanalizować historyczne dane dotyczące diety i próbek krwi alczyków z różnych regionów Arktyki, co jest kluczowe dla zrozumienia, jak poziomy rtęci zmieniają się wraz z malejącym pokryciem lodowym morza.
Kładąc nacisk na zooplankton jako kluczowe źródło odżywczych substancji, ale jednocześnie główny wektor zanieczyszczeń, i badając ich wpływ na wyższe poziomy troficzne, zwłaszcza planktonożerne ptaki morskie, realizowane w Instytucie Oceanologii PAN projekty mają na celu dostarczenie wszechstronnych informacji na temat stanu i „zdrowia” ekosystemów Arktyki. Wiedza ta pomoże nam lepiej zrozumieć zagrożenia dla środowiska związane z postępującymi zmianami klimatycznymi i przekształceniami w tych odległych i wrażliwych środowiskach.
Badania realizowane są dzięki finansowaniu z Narodowego Centrum Nauki w programie Opus, projekty ORANGE i ZOOM
Dr Kaja Bałazy, Instytut Oceanologii PAN
