Impact of climate change on marine life much bigger than previously known

Lead author Katharina Alter of the Royal Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ) explains why it is essential to summarize and analyze the results of published studies addressing the effects of climate change: “To gain a better understanding of the overall worldwide impact of climate change, marine biologists calculate its effects on all fish or all invertebrate species lumped together. Yet, effects determined in different individual studies can cancel each other out: for example if invertebrate animals such as snails profit from a certain environmental change and other invertebrates, such as sea urchins, suffer from it, the overall effect for invertebrates is concluded to be zero, although both animal groups are affected.”

In fact, snails eat more due to climate change and sea urchins eat less. Alter: “Both effects matter and even have cascading effects: turf algae, the food for sea urchins, grow more while the growth of kelp, the food for gastropods, decreases. The difference in feeding in the two invertebrates causes a shift in the ecosystem from a kelp dominated ecosystem to a turf algae dominated ecosystem, consequently changing the living environment for all other animals living in this ecosystem.”

Important for understanding ecological shifts

Together with colleagues from Wageningen University and 12 other research institutions from the US, France, Argentina, Italy and Chile, dr. Alter developed the new research method that no longer cancels out seemingly contradictory results, but uses both to determine the consequences of climate change on animals’ fitness.

Before the use of this method, ocean warming and more acidic seawater was known to negatively affect fish and invertebrate animals in three general ways: their chance of survival is reduced, their metabolism is increased, and the skeletons of invertebrates are weakened.

Using the new method, the international group of marine researchers discovered that climate change has negative effects on additional important biological responses of fish and invertebrates: physiology, reproduction, behaviour and physical development. Alter: “Because this may result in ecological shifts impacting marine ecosystem structures, our results suggest that climate change will likely have stronger impacts than previously thought.”

Up to 100% of biological processes affected

Increasing levels of carbon dioxide in the air have been causing warmer and more acidic seawater for decades, a trend that is expected to continue in the future. However, it is unknown at which speed and to what extent.

Alter and her colleagues calculated the consequences of three projected scenarios of carbon dioxide increase, and thus of ocean warming and ocean acidification: extreme increase, moderate increase at the current speed and – due to possible measures – mitigated increase. Alter: “Our new approach suggests that if ocean warming and acidification continue on the current trajectory, up to 100% of the biological processes in fish and invertebrate species will be affected, while previous research methods found changes in only about 20 and 25% of all processes, respectively.”

Furthermore, the research shows that measures to mitigate atmospheric carbon dioxide levels will help reduce changes in biological processes: in the low carbon dioxide scenario, 50% of responses in invertebrates and 30% in fish will be affected.

Detect hidden impacts

The big gain of the new method, according to Alter, is that more details become known about effects of climate change on species. "The new calculation method weighs the significant deviation from the current state irrespective of its direction - be it beneficial or detrimental - and counts it as impact of warming and acidifying seawater. With our new approach, you can include the broadest range of measured responses and detect impacts that were hidden in the traditional approach."

Impact klimaatverandering op zeeleven veel groter dan voorheen gedacht

Vissen en ongewervelde dieren hebben veel meer last van de gevolgen van warmer en zuurder zeewater dan tot nu toe bekend was. Dat is de conclusie van een onderzoek mede onder leidingKatharina Alter, marien bioloog bij het NIOZ, op basis van een nieuwe analysemethode die is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Hoofdauteur Katharina Alter van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) vertelt waarom het van belang is om gepubliceerde studies naar de impacts van klimaatverandering samen te vatten en te analyseren: “Om een beter begrip te krijgen van de algemene wereldwijde impact van klimaatverandering, berekenen marien biologen het effect op alle vissen of alle ongewervelde dieren samen. Maar de effecten die blijken uit verschillende individuele studies kunnen tegen elkaar wegvallen. Als ongewervelde dieren, zoals slakken bijvoorbeeld, profiteren van een bepaalde verandering in de omgeving, terwijl andere ongewervelden, zoals zeeëgels, eronder lijden, dan wordt het gemiddelde effect voor de weekdieren op nul gesteld, terwijl beide groepen wel degelijk worden beïnvloed.”

Het is zelfs zo, dat slakken meer eten door de klimaatverandering en zee-egels minder. Alter: "Beide effecten zijn van belang en hebben bovendien een lawine-effect: grasalgen, het voedsel voor zee-egels, nemen toe, terwijl de groei van kelp, het voedsel voor slakken, afneemt. Het verschil in voeding van de twee ongewervelden veroorzaakt een verschuiving in het ecosysteem van een door kelp gedomineerd ecosysteem naar een door grasalgen gedomineerd ecosysteem, waardoor de leefomgeving verandert voor alle andere dieren die in dit ecosysteem leven."

Belangrijk om ecologische verschuivingen te begrijpen

Samen met collega's van Wageningen Universiteit en 12 andere onderzoeksinstellingen uit de VS, Frankrijk, Argentinië, Italië en Chili, ontwikkelde dr. Alter de nieuwe onderzoeksmethode die schijnbaar tegenstrijdige resultaten niet langer opheft, maar beide gebruikt om de gevolgen van klimaatverandering op de fitness van dieren te bepalen.

Voordat deze methode werd gebruikt, was bekend dat de opwarming van de oceaan en zuurder zeewater een negatief effect hadden op vissen en ongewervelde dieren op drie algemene manieren: hun overlevingskans wordt kleiner, hun metabolisme wordt verhoogd en de skeletten van ongewervelde dieren worden zwakker. Maar met behulp van de nieuwe methode ontdekte de internationale groep mariene onderzoekers dat klimaatverandering negatieve effecten heeft op andere belangrijke biologische reacties van vissen en ongewervelde dieren: fysiologie, voortplanting, gedrag en fysieke ontwikkeling. Alter: "Omdat dit kan leiden tot ecologische verschuivingen die van invloed zijn op de structuren van mariene ecosystemen, zeggen onze resultaten dat klimaatverandering waarschijnlijk sterkere gevolgen zal hebben dan eerder werd gedacht."

Tot 100% van de biologische processen beïnvloed

Toenemende kooldioxideniveaus in de lucht veroorzaken al tientallen jaren warmer en zuurder zeewater, een trend die zich naar verwachting in de toekomst zal voortzetten. Maar het is onbekend met welke snelheid en in welke mate.

Alter en haar collega's berekenden de gevolgen van drie mogelijke scenario's van de toename van koolstofdioxide, en daarmee van oceaanopwarming en oceaanverzuring: extreme toename, gematigde toename met de huidige snelheid en - door mogelijke maatregelen – lagere toename. Alter: "Uit onze nieuwe benadering blijkt dat als de opwarming van de oceaan en de verzuring volgens de huidige trend doorgaan, tot 100% van de biologische processen in vissen en ongewervelde soorten zullen worden beïnvloed, terwijl eerdere onderzoeksmethoden veranderingen vonden in, respectievelijk, maar ongeveer 20 en 25% van alle processen."

Bovendien toont Alter's onderzoek aan dat maatregelen om de kooldioxideconcentraties in de atmosfeer te verminderen, ook de veranderingen in biologische processen zullen helpen verminderen: in het scenario met lage concentraties koolstofdioxide zal 50% van de reacties bij ongewervelde dieren en 30% bij vissen worden beïnvloed.

Verborgen gevolgen opsporen

De grote winst van de nieuwe methode is volgens Alter dat er meer details bekend worden over de effecten van klimaatverandering op soorten. "De nieuwe berekeningsmethode weegt de significante afwijking van de huidige toestand, ongeacht de richting ervan - gunstig of ongunstig - en telt deze als invloed van de opwarming en verzuring van het zeewater. Met onze nieuwe aanpak kun je het breedste scala aan gemeten reacties meenemen en effecten opsporen die in de traditionele aanpak verborgen bleven."