Pátrání po klimatických souvislostech mezi nejmenšími organismy oceánů

Andrew Babbin, oceánograf a biogeochemik z MIT, se vydává na dlouhé výzkumné plavby po celém světě, aby prozkoumal mořské mikroby a jejich vliv na zdraví oceánů. Jeho výbava zahrnuje nejen cestovní nezbytnosti, ale i lepicí pásky nejrůznějších druhů, stahovací pásky a gumové šňůry – jak sám říká, svůj „MacGyver kit“ pro řešení nečekaných problémů v terénu.

Babbinovy cesty vedou daleko na moře, na měsíční výzkumné plavby, kde odebírá vzorky vody u tichomořského pobřeží i na otevřeném oceánu. V odlehlých lokalitách se mu jeho improvizační dovednosti hodí, například když musel pomocí stahovacích pásek připevnit klíč k odběrovému zařízení, aby se propadlo skrz zledovatělé antarktické jezero.

Babbin studuje mořské mikroby a způsoby, jakými regulují koloběh dusíku mezi oceánem a atmosférou. Tato výměna pomáhá udržovat zdravé oceánské ekosystémy a podporuje schopnost oceánu ukládat uhlík. Kombinací měření v oceánu s experimenty ve své laboratoři na MIT se Babbin snaží pochopit souvislosti mezi mikroby a oceánským dusíkem, což by mohlo vědcům pomoci identifikovat způsoby, jak udržet zdraví a produktivitu oceánu.

„Stanete se skutečným oceánografem a vědcem o Zemi, až uvidíte svět,“ říká Babbin, který nedávno získal profesuru Cecil a Ida Green Career Development Professor na oddělení věd o Zemi, atmosféře a planetárních vědách MIT. „Přijímáme rozmanitost míst a kultur na této planetě. Vidět jen malou část z toho je něco zvláštního.“

Silný cyklus

Oceán je pro Babbina stálou součástí života od dětství. Jeho rodina pochází z Monmouth County v New Jersey, kde s jeho sestrou dvojčetem vyrůstal a hrával si na pobřeží Jersey. V dospívání je rodiče brali na rodinné výlety na palubě výletních lodí.

„Vždycky jsem miloval pobyt na vodě,“ říká. „Mé oblíbené části každé z těchto plaveb byly dny na moři, kdy jsme byli prostě uprostřed oceánské pánve, s vodou všude kolem nás.“

Ve škole se Babbin zaměřil na vědy, zejména na chemii. Po střední škole navštěvoval Kolumbijskou univerzitu, kde mu návštěva oddělení inženýrství Země a životního prostředí pomohla k uvědomění si budoucí kariéry.

„Pro mě to bylo vždycky vzrušení z vody a chemie, a bylo to jako takové zvolání: ‚Oh wow, nemusí to být jedno nebo druhé,‘“ říká Babbin.

Zvolil si studium inženýrství Země a životního prostředí s koncentrací na vodní zdroje a klimatická rizika. Po absolvování v roce 2008 se Babbin vrátil do svého domovského státu, kde navštěvoval Princetonskou univerzitu a nastoupil na cestu k doktorátu v oboru geověd se zaměřením na chemickou oceánografii a environmentální mikrobiologii. Jeho poradkyně, oceánografka Bess Ward, přijala Babbina do své výzkumné skupiny a pozvala ho na několik měsíčních plaveb do různých částí východního tropického Pacifiku.

„Dodnes si pamatuji tu první cestu,“ vzpomíná Babbin. „Byla to vířivka. Všichni ostatní už byli na moři milionkrát a nakládali loď a připoutávali věci a já jsem o ničem neměl ani tušení. A během několika hodin jsem prováděl experiment, zatímco se loď kymácela tam a zpět!“

Babbin se naučil vypouštět odběrové lahve přes palubu, pak je vytahovat zpět a analyzovat mořskou vodu uvnitř na známky dusíku – základní živiny pro všechny živé organismy na Zemi.

Ukázalo se, že rostliny a živočichové, kteří jsou závislí na dusíku pro přežití, nejsou schopni ho samy přijímat z atmosféry. Potřebují jakési prostředníky v podobě mikrobů, které „fixují“ dusík, přeměňují ho z plynného dusíku na snáze stravitelné formy. V oceánu tuto fixaci dusíku provádějí vysoce specializované mikrobiální druhy, které usilují o zpřístupnění dusíku fytoplanktonu – mikroskopickým rostlinným organismům, které jsou základem mořského potravního řetězce. Fytoplankton je také hlavní cestou, jakou oceán absorbuje oxid uhličitý z atmosféry.

Mikroorganismy mohou také použít tyto biologicky dostupné formy dusíku za určitých podmínek pro energii a vrátit dusík zpět do atmosféry. Tyto mikroby také mohou uvolňovat vedlejší produkt oxidu dusného, což je silný skleníkový plyn, který také může katalyzovat úbytek ozonu ve stratosféře.

Díky své postgraduální práci na moři a v laboratoři se Babbin začal zajímat o koloběh dusíku a roli, kterou hrají mikroby fixující dusík při podpoře oceánských ekosystémů a celkového klimatu. Rovnováha vstupů a výstupů dusíku udržuje fytoplankton a udržuje schopnost oceánu absorbovat oxid uhličitý.

„Některé z opravdu naléhavých otázek v biogeochemii oceánů se týkají tohoto koloběhu dusíku,“ říká Babbin. „Pochopení způsobů, jakými tento jeden prvek koluje v oceánu a jak je středem zdraví ekosystému a klimatu planety, bylo skutečně silné.“

V laboratoři i na moři

Po dokončení doktorátu v roce 2014 Babbin nastoupil na MIT jako postdoktorand na katedře stavebního a environmentálního inženýrství.

„Můj první pocit, když jsem sem přišel, byl: ‚Wow, to je opravdu hřiště pro šprty,‘“ říká Babbin. „Přijal jsem to, že jsem součástí kultury, kde se snažíme lépe porozumět světu, a zároveň děláme věci, které se nám opravdu líbí.“

V roce 2017 přijal profesorské místo na katedře věd o Zemi, atmosféře a planetárních vědách MIT. Zřídil si laboratoř, vymalovanou jeho oblíbenou zářivou oranžovou barvou, v nejvyšším patře budovy Green Building.

Jeho skupina používá 3D tiskárny k výrobě mikrofluidních zařízení, ve kterých reprodukuje podmínky oceánského prostředí a studuje metabolismus mikrobů a jejich vliv na mořskou chemii. V terénu vedl Babbin výzkumné expedice na Galapágy a do částí východního Pacifiku, kde sbíral a analyzoval vzorky vzduchu a vody na známky transformace dusíku a mikrobiální aktivity. Jeho nová měřicí stanice na Galapágách je schopna odhadovat mořské emise oxidu dusného v rozsáhlé oblasti východního tropického Pacifiku. Jeho skupina také plul na jih Kuby, kde výzkumníci studovali interakce mikrobů v korálových útesech.

Naposledy Babbin cestoval na Antarktidu, kde si zřídil tábor vedle zmrzlých jezer a odebíral vzorky panenské ledové vody, kterou bude analyzovat na genetické pozůstatky starověkých mikrobů. Taková zachovaná bakteriální DNA by mohla vědcům pomoci pochopit, jak se mikroby vyvíjely a ovlivňovaly klima Země po miliardy let.

„Mikroby jsou terasovateli,“ poznamenává Babbin. „Byly jimi, od té doby, kdy se život vyvinul před více než 3 miliardami let. Musíme přemýšlet o tom, jak formují přírodní svět a jak budou reagovat na antropocén, protože lidé sami manipulují s planetou.“

Kolektivní akce

Babbin nyní plánuje nové výzkumné směry. Kromě své práce na moři a v laboratoři se pouští i do inženýrství s novým projektem návrhu denitrifikačních kapslí. Zatímco dusík je nezbytnou živinou pro udržení mořského ekosystému, příliš mnoho dusíku, například z hnojiv, která stékají do jezer a potoků, může vytvářet květy toxických řas. Babbin se snaží navrhnout ekologické kapsle, které budou odstraňovat přebytečný antropogenní dusík z místních vodních toků.

Začíná také proces navrhování nového senzoru pro měření nízkých koncentrací kyslíku v oceánu. Jak se planeta otepluje, oceány ztrácejí kyslík, čímž se vytvářejí „mrtvé zóny“, kde ryby nemohou přežít. Zatímco jiní včetně Babbina se snažili mapovat tyto zóny s minimálním obsahem kyslíku (OMZ), dělali to sporadicky, tím, že spouštěli senzory do oceánu v omezeném rozsahu, hloubce a čase. Babbinův senzor by mohl potenciálně poskytnout úplnější mapu OMZ, protože by byl nasazen na rozsáhlých, hluboko potápějících se a přirozeně poháněných vozidlech: žralocích.

„Chceme měřit kyslík. Žraloci potřebují kyslík. A pokud se podíváte, kam žraloci nejdou, mohli byste mít představu o tom, kde kyslík není,“ říká Babbin, který spolupracuje s mořskými biology na způsobech značení žraloků kyslíkovými senzory. „Řada těchto velkých pelagických ryb se často pohybuje nahoru a dolů ve vodním sloupci, takže můžete mapovat hloubku, do které se potápějí a vyvodit něco o jejich chování. A můj návrh je, že byste mohli také vyvodit něco o chemii oceánu.“

Když Babbin přemýšlí o tom, co stimuluje nové nápady a výzkumné směry, připisuje to práci s druhými, ve své vlastní skupině i napříč MIT.

„Mé nejlepší myšlenky pocházejí z této kolektivní akce,“ říká Babbin. „Zejména proto, že všichni máme různé výchovy a přistupujeme k věcem z různých perspektiv.“

Tento ducha spolupráce přináší do své nové role ředitele mise pro klimatický projekt MIT. Spolu s Jessem Krollem, profesorem stavebního a environmentálního inženýrství a chemického inženýrství, vede Babbin jednu ze šesti misí projektu: Obnova atmosféry, ochrana pevniny a oceánů. Babbin a Kroll plánují řadu workshopů napříč kampusem, které doufají, že vytvoří nová propojení a podnítí nové myšlenky, zejména ohledně způsobů, jak hodnotit efektivitu různých strategií zmírňování dopadů klimatu a lépe posoudit dopady klimatu na společnost.

„Jedna oblast, kterou chceme propagovat, je chápání klimatické vědy a klimatických intervencí jako dvou stran téže mince,“ říká Babbin. „Je tu tolik akcí, které se snaží katalyzovat. Ale chceme, aby to byla nejlepší akce. Protože na to máme opravdu jen jeden pokus. Čas je podstatný.“