Global uppvärmning kommer sannolikt att orsaka abrupta förändringar i viktiga algsamhällen på grund av förskjutande gränser för biologisk mångfald i haven - enligt forskning från University of East Anglia och Earlham Institute.

En ny studie, publiceras idag i tidningen Naturkommunikation , finner att när klimatförändringen förlänger det varma halvklotet, dessa gränser förutspås att flytta pol-avdelningar under de närmaste 100 åren.

Istället för en gradvis förändring av mikrobiell mångfald på grund av uppvärmning, forskarna föreslår att det kommer att ske mer plötsligt vid vad de kallar "brytpunkter" - varhelst den övre havstemperaturen är cirka 15 grader på ett årligt genomsnitt, separera kallt och varmt vatten.

Storbritannien är ett av de områden som sannolikt kommer att drabbas allvarligt, och mer plötsligt än man tidigare trott. Men teamet säger att förändringarna kan stoppas om vi agerar snabbt för att stoppa klimatförändringarna.

Thomas Mock, från UEA:s miljöhögskola, sade:"Alger är viktiga för att upprätthålla ett hälsosamt ekosystem för att balansera havslivet. Genom att absorbera energi från solljus, koldioxid och vatten, de producerar organiska föreningar för att marint liv ska leva av.

"Dessa organismer stödjer några av de största livsmedelsbanorna på jorden och driver globala biogeokemiska cykler.

"Ansvarar för minst 20 procent av den årliga globala kolfixeringen, temperaturförändringar kan ha en betydande inverkan på alger som våra marina system, fiske och havets biologiska mångfald är beroende av.

"Vi ville bättre förstå hur klimatkrisen påverkar alger världen över från Arktis till Antarktis."

Forskningen leds av forskare vid UEA i samarbete med US Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI, USA) och Earlham Institute (Storbritannien).

Den stora studien genomfördes under mer än 10 år av ett internationellt team bestående av 32 forskare, från institutioner inklusive University of Exeter i Storbritannien och Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research i Tyskland.

Det innebar den första pol-till-pol-analysen av hur alger (eukaryot växtplankton) och deras uttryckta gener är geografiskt fördelade i haven. Således, laget studerade hur deras genaktivitet förändras på grund av miljöförhållanden i övre oceanen från pol till pol.

Eftersom övre oceanen redan upplever betydande uppvärmning på grund av stigande CO ₂ nivåer, forskarna uppskattade hur fördelningen av dessa algsamhällen kan förändras baserat på en modell från Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 5 ^th Utvärderingsrapport.

Alggemenskapernas mångfald och genaktivitet formas av interaktioner med mikroskopiska encelliga organismer, eller prokaryoter, som en del av komplexa mikrobiomer.

Forskarna fann att dessa globala samhällen kan delas upp i två huvudkluster-organismer som huvudsakligen lever i kalla polära och varma opolära vatten.

De geografiska mönstren förklaras bäst av skillnaderna i vattnets fysiska struktur (t.ex. säsongsblandad kyla kontra permanent stratifierat varmt vatten) i övre oceanen orsakad av latitudinella temperaturgradienter.

Organismerna analyserades genom extraktion av nukleinsyror och DNA- och mRNA -sekvensering av prover som samlats in under fyra forskningskryssningar i Ishavet, Norra Atlanten, Södra Atlanten och södra oceanen.

Prof Mock sa:"Betydande internationella insatser har gett insikter om vad som driver mångfalden av dessa organismer och deras globala biogeografi i det globala havet, dock, det finns fortfarande begränsad förståelse för miljöförhållanden som är ansvariga för skillnader mellan lokala artsamhällen i stor skala från pol till pol.

"Våra resultat ger ny inblick i hur förändrade miljöförhållanden korrelerar med förändringar av biologisk mångfald med stora miljöfluktuationer och störningar. Denna kunskap är avgörande för att förutsäga konsekvenserna av global uppvärmning och kan därför leda miljöhanteringen.

"Vi kan förvänta oss att de marina systemen runt om i Storbritannien och andra länder på denna breddgrad kommer att drabbas hårt, och mer plötsligt än man tidigare trott.

"Den största ekosystemförändringen kommer att inträffa när marina mikroalgalsamhällen och deras associerade bakterier runt om i Storbritannien kommer att ersättas av sina varmvatten-motsvarigheter.

"Detta förväntas bero på att den polära avdelningen flyttar gränsen för ekosystemet eller" brytpunkt för biologisk mångfald "som skiljer båda samhällena. För att detta ska ske den årliga genomsnittliga övre havstemperaturen måste bli varmare än 15C.

"Det är dock inte oåterkalleligt, om vi kan stoppa den globala uppvärmningen, " han lade till.

Medförfattare Dr Richard Leggett vid Earlham Institute, tillade:"Denna studie visar också vilken viktig roll framsteg inom DNA-sekvenseringsteknik har spelat för att förstå havsbaserade ekosystem och, genom att göra så, hjälpa forskare att belysa och kämpa med några av de största miljöutmaningarna som planeten står inför. "

Arbetet leddes av två tidigare doktorander. studenter från UEA:s skolor för miljövetenskap och datavetenskap, Dr Kara Martin (även baserad vid Earlham Institute) och Dr. Katrin Schmidt.

Dr Martin sa:"Dessa resultat tyder på att den viktigaste ekologiska gränsen i övre oceanen skiljer polära från opolära algmikrobiomer på båda halvklotet, som inte bara förändrar den rumsliga skalningen av algmikrobiomer utan också förskjuter polavdelningar på grund av global uppvärmning.

"Vi förutspår att" brytpunkter "för mikrobiell mångfald kommer att röra sig markant polavdelningar på grund av uppvärmning-särskilt runt de brittiska öarna-med abrupta förändringar i algmikrobiomer orsakade av klimatförändringar som orsakas av människor.

"Det här har varit en underbar upplevelse och en otrolig möjlighet att arbeta med ett fantastiskt team. Tillsammans, vi analyserade en fantastisk datauppsättning som utökar latituden för vår mikrobiella havsforskning, gör det möjligt för oss att få insikter om vårt föränderliga hav från pol till pol. "

Dr Schmidt sa:"Under våra forskningskryssningar märkte vi redan ganska olika algsamhällen från varmt till kallt vatten. Detta första fynd stöddes av våra resultat som tyder på att den viktigaste ekologiska gränsen i övre oceanen skiljer polära från opolära algmikrobiomer. på båda halvklotet. Och ännu viktigare, denna gräns förändrar inte bara den rumsliga skalningen av algmikrobiomer utan förskjuter också polavdelningar på grund av global uppvärmning. "

Prof Tim Lenton, från University of Exeter sade:"När havet värms upp med klimatförändringar i detta århundrade förutspår vi att" brytpunkten "mellan kyla, polära mikroalgalsamhällen och varma, icke-polära mikroalgalsamhällen kommer att röra sig norrut genom haven runt de brittiska öarna.

"Eftersom mikroalger är nyckeln till basen i näringskedjan kan vi förvänta oss stora förändringar i resten av det marina ekosystemet, med konsekvenser för fiske, samt marin bevarande.

"Den" biologiska kolpumpen "där havet tar upp koldioxid från atmosfären kommer att förändras med detta skifte i mikroalgalsamhällen - som troligen blir mindre effektiva - vilket i sin tur kan ge feedback för att förstärka den globala uppvärmningen."

Sekvensering gjordes på JGI som en del av projektet Community Science Programme Sea of ​​Change:Eukaryotic Phytoplankton Communities in the Arctic Ocean.

"Den biogeografiska differentieringen av algmikrobiomer i övre oceanen från pol till pol" publiceras i Naturkommunikation den 16 september, 2021.