Valutazione dell’attuale comprensione dell’impatto dei cambiamenti climatici sulla fisiologia dei coralli dopo tre decenni di ricerca sperimentale

Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 1418 (2022) Citare questo articolo

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Dopo tre decenni di ricerca sui coralli sugli impatti dei cambiamenti climatici, esiste un ampio consenso sugli effetti negativi dello stress da calore, ma gli impatti dell’acidificazione degli oceani (OA) non sono ben definiti. Utilizzando una revisione degli studi pubblicati e un'analisi sperimentale, confermiamo l'ampia componente specie-specifica della risposta all'OA, che prevede impatti moderati sulla fisiologia e sulla pigmentazione dei coralli entro il 2100 (scenario-B1 o SSP2-4.5), in contrasto con i gravi disturbi indotti da soli +2 °C di anomalia termica. Di conseguenza, il riscaldamento globale rappresenta una minaccia maggiore per la calcificazione dei coralli rispetto all’OA. La comprensione incompleta della risposta moderata dell’OA si basa su un’attenzione insufficiente ai processi chiave di regolazione di queste simbiosi, in particolare alla dipendenza metabolica della calcificazione dei coralli dalla fotosintesi delle alghe e dalla respirazione dell’ospite. La nostra capacità di prevedere il futuro delle barriere coralline dipende da una corretta identificazione dei principali obiettivi e/o processi influenzati dai fattori di stress legati al cambiamento climatico.

Gli aumenti delle concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica derivanti dalle attività umane stanno causando un aumento della temperatura dell’oceano e una diminuzione del pH dell’acqua marina oceanica. Collettivamente, il riscaldamento globale e l’acidificazione degli oceani (OA) sono considerati le principali minacce globali agli ecosistemi marini1. Le barriere coralline sono particolarmente colpite2, poiché anomalie termiche di +1−2 °C sopra la media massima regionale in estate sono considerate il principale motore della grave perdita della pigmentazione dei coralli3,4 e della funzione della simbiosi5. Questo fenomeno, noto come sbiancamento dei coralli, è responsabile della massiccia mortalità dei coralli4,6, con conseguenze drammatiche per le barriere coralline1,4,7. Si prevede che lo sbiancamento dei coralli aumenterà sia in termini di gravità che di frequenza a causa del cambiamento climatico6. L’impatto dell’OA, derivante dal raddoppio delle concentrazioni preindustriali di pCO2 a 560 ppm, prevede anche una riduzione del 40% della calcificazione dei coralli entro il 21002,8. Tuttavia, sebbene vi sia un ampio consenso sull’impatto dello stress termico nell’induzione dello sbiancamento dei coralli4,5,9,10,11, gli effetti dell’OA sulla fisiologia dei coralli non sono stati chiaramente stabiliti (Tabella 1, Informazioni supplementari-SI, Tabella S1).

Lo sbiancamento dei coralli è causato da un grande accumulo di fotodanneggiamento indotto dalla luce nei simbionti durante lo stress termico, evidenziato dalla riduzione dell'efficienza fotochimica massima (Fv/Fm), ed è preceduto da una grave perdita delle prestazioni fotosintetiche dei coralli, comprese riduzioni di pigmentazione dei coralli e simbionti9,10,11,12. Sebbene le riduzioni di Fv/Fm e della pigmentazione dei coralli siano comunemente usate come proxy dello sbiancamento dei coralli, il "fenotipo sbiancato" si verifica solo alla fine del disturbo fisiologico13,14, ed esprime una condizione disfunzionale dell'associazione simbiotica, rilevabile, come precedentemente proposto, mediante la completa soppressione della fotosintesi dei coralli5,13. L'insorgenza dello stress da calore è determinata da una soglia di temperatura, nota come "temperatura di rottura di Arrhenius" (ABT)15, al di sopra della quale la fotosintesi5,16,17 e la calcificazione5,16,18 dei coralli diminuiscono con la temperatura. Un tale punto critico non è stato documentato per la respirazione dei coralli a questa temperatura5. Al di sotto dell'ABT, l'esposizione a temperature elevate è generalmente benefica per tutti i tassi metabolici, poiché accelerano i processi enzimatici. I valori per ABT e per il coefficiente di temperatura Q10 (cioè il fattore con cui la velocità di un processo metabolico aumenta per ogni aumento di 10 gradi della temperatura) dei coralli simbiotici sono variabili tra le specie, i processi metabolici e il fenotipo acclimatatorio degli organismi5 .

La risposta dei coralli all'OA è meno compresa19 (Tabella 1, Tabella SI-S1). L'assorbimento di CO2 da parte della superficie dell'oceano modifica la chimica dell'acqua di mare portando ad una riduzione del pH e dello stato di saturazione dell'aragonite (Ωarag)19. Inizialmente, è stato documentato che l'OA influenza il processo di biomineralizzazione in un'ampia gamma di organismi marini calcificanti20, inclusi coccolitoforidi planctonici20, foraminiferi20, crostacei21, molluschi21, alghe coralline21,22,23 e coralli23,24,25. Ulteriori studi, tuttavia, hanno iniziato a mettere in discussione tali effetti negativi dell’OA sulla calcificazione marina26,27. Si è scoperto che i cambiamenti di Ωarag erano correlati positivamente con il declino della calcificazione dei coralli28, ma in seguito si è scoperto che questo declino era associato a cambiamenti nel pH dell'acqua di mare e nella pCO2 piuttosto che a Ωarag di per sé29. Altri studi non hanno riportato riduzioni nella calcificazione dei coralli o addirittura nella sua stimolazione in condizioni di OA (Tabella 1, SI-Tabella-S1). Una meta-analisi ha concluso quasi dieci anni fa che l’OA non influenza la fotosintesi dei coralli e ha identificato un’ampia componente specie-specifica di questa risposta30. Analisi sperimentali dell'effetto combinato di temperatura elevata e OA hanno riportato un'ampia diversità di risposte dei coralli31,32,33, con un ruolo incoerente della temperatura nella modulazione dell'impatto dell'OA17,25,33,34. Più recentemente, una nuova meta-analisi ha concluso che l’effetto aggiuntivo dell’OA dovuto all’intensificarsi delle ondate di caldo marino porterà a un impatto maggiore sulla fotosintesi e sulla sopravvivenza dei coralli35. Sfortunatamente, un numero limitato di studi ha caratterizzato la fotosintesi e i tassi di calcificazione in simultaneo, nonostante la nota dipendenza della calcificazione dei coralli dai prodotti fotosintetici come glicerolo, glucosio e ossigeno36,37. La nostra revisione della letteratura rivela analisi incomplete e visioni parziali della maggior parte delle caratterizzazioni sperimentali (Tabella 1), che potrebbero spiegare la conoscenza ancora insufficiente degli effetti dell’OA sulla fisiologia dei coralli.