На популярных туристических объектах, таких как Плая-дель-Кармен на полуострове Юкатан в Мексике, ежегодно наблюдаются массовые выбросы бурых водорослей рода Sargassum. Эта проблема актуальна для всего Карибского побережья. Для поддержания пляжей в пригодном для купания состоянии необходимо регулярно очищать побережье от этих водорослей с помощью специальной техники. В этом году, к началу июня, объем дрейфующего Sargassum, направляющегося к берегам Карибских островов, Мексиканского залива и северной части Южной Америки, достиг рекордных 38 миллионов тонн. Летом эти плавучие маты водорослей в огромных количествах оседают на пляжах, где разлагаются, выделяя неприятный запах. Это отпугивает туристов и наносит ущерб прибрежным экосистемам. Однако вдали от берега дрейфующий Sargassum, наоборот, служит источником пищи и убежищем для многих морских животных.
Изначально эти водоросли формировались в Саргассовом море к востоку от Флориды. С 2011 года ученые наблюдают за регулярным появлением Великого Атлантического пояса саргассовых водорослей – массивной полосы, которая перемещается от экватора к Карибскому морю под воздействием сильных восточных ветров. До недавнего времени оставалось неясным, какой именно механизм подпитывает быстрый рост этих водорослей фосфором (P) и азотом (N). Выдвигались гипотезы, связывающие цветение с сельскохозяйственными стоками или питательными веществами, высвобождающимися в результате вырубки тропических лесов. Однако эти объяснения не согласовывались с устойчивым увеличением биомассы Sargassum, фиксируемым в последние годы.
Международная группа исследователей под руководством Института химии Общества Макса Планка теперь определила ключевой процесс, лежащий в основе этих масштабных цветений. Ученые также выявили климатические закономерности, создающие благоприятные условия для такого роста, что открывает путь к разработке системы прогнозирования будущих прибытий Sargassum.
В недавней публикации в журнале Nature Geoscience исследователи описывают, как мощный, вызванный ветром апвеллинг вблизи экватора поднимает богатые фосфором глубинные воды на поверхность и переносит их на север, в Карибский бассейн. Увеличенное поступление фосфора благоприятно сказывается на цианобактериях, обитающих на поверхности бурых водорослей. Эти микроорганизмы способны фиксировать атмосферный азот (N2), преобразуя его в форму, доступную для Sargassum – процесс, известный как азотфиксация. Цианобактерии часто колонизируют Sargassum, образуя симбиоз, который обеспечивает водоросли дополнительным источником азота. Согласно результатам исследования, такая взаимосвязь дает Sargassum конкурентное преимущество перед другими водорослями в экваториальной Атлантике и помогает объяснить изменения в численности Sargassum, зафиксированные в прошлые годы.
Команда исследователей установила связь между ростом водорослей, усиленной азотфиксацией и подъемом холодных, богатых питательными веществами вод, изучая керны кораллов, собранные по всему Карибскому региону. Кораллы служат долгосрочными архивами окружающей среды, поскольку их скелеты по мере роста включают в себя химические следы из окружающей воды. Изучая их годовые слои роста, подобно годичным кольцам деревьев, ученые могут реконструировать изменения в химии океана на протяжении столетий.
В ходе этого исследования ученые измерили изотопный состав азота в кораллах, чтобы оценить объем азота, зафиксированного микроорганизмами за последние 120 лет. Во время азотфиксации бактерии уменьшают соотношение стабильных изотопов азота N-15 к N-14 в морской воде. Низкие соотношения N-15 к N-14 в кораллах указывают на периоды усиленной азотфиксации. Для подтверждения корректности этих химических сигнатур были использованы образцы морской воды, собранные научно-исследовательским судном Eugen Seibold. Они позволили калибровать изотопы азота в современных кораллах, подтвердив, что эти показатели надежно отражают интенсивность азотфиксации.
Как отмечает Йонатан Юнг, аспирант Института химии Общества Макса Планка и ведущий автор исследования, «в первом же наборе измерений мы заметили два значительных увеличения азотфиксации в 2015 и 2018 годах – в те два года, когда наблюдались рекордные цветения Sargassum. Мы сравнили нашу реконструкцию на основе кораллов с данными по ежегодной биомассе Sargassum, и эти записи идеально совпадали! Однако тогда было совершенно неясно, существовала ли причинно-следственная связь». Более глубокий анализ показал, что биомасса водорослей и азотфиксация постоянно связаны с 2011 года, включая как высокие, так и низкие значения. Этот временной показатель примечателен, поскольку именно в 2010 году сильные ветры впервые перенесли бурые водоросли из Саргассова моря в тропическую Атлантику.
Отбросив другие гипотезы, команда пришла к выводу, что избыток фосфора является основным фактором, провоцирующим масштабные события, связанные с Sargassum. Более ранние теории о том, что сахарская пыль, несущая железо, могла стимулировать рост водорослей, не подтвердились данными о биомассе. Аналогично, поступление питательных веществ из рек Амазонки или Ориноко не показало корреляции со сроками или интенсивностью цветения Sargassum.
Исследователи описывают процесс, в котором фосфор, доставляемый поднимающимися из глубины водами, и азот, поставляемый азотфиксирующими бактериями, совместно подпитывают цветения, наблюдавшиеся на протяжении последних десятилетий. Геохимик Юнг подчеркивает: «Наш механизм объясняет изменчивость роста Sargassum лучше, чем любые предыдущие подходы. Однако все еще существует неопределенность относительно того, играют ли другие факторы какую-либо роль и в какой степени».
Поступление богатых фосфором вод зависит от более низких температур поверхности моря в тропической Северной Атлантике и более теплых условий в Южной Атлантике. Эти температурные различия изменяют характер атмосферного давления, что приводит к изменениям силы и направления ветра. В свою очередь, это смещает поверхностные воды в сторону, позволяя подниматься более глубоким водам, богатым фосфором.
По мнению исследователей из Майнца, мониторинг ветровых условий, температур поверхности моря и связанных с ними закономерностей апвеллинга в экваториальной Атлантике может помочь уточнить прогнозы будущего роста Sargassum. Альфредо Мартинес-Гарсия, руководитель группы в Институте химии Общества Макса Планка и старший автор исследования, поясняет: «В конечном итоге, будущее Sargassum в тропической Атлантике будет зависеть от того, как глобальное потепление повлияет на процессы, которые управляют поступлением избыточного фосфора в экваториальную Атлантику». Команда планирует расширить свой анализ, изучая новые коралловые записи из различных мест по всему Карибскому бассейну. Ученые ожидают, что эти данные помогут в усилиях по защите коралловых рифов и окажут поддержку прибрежным сообществам в управлении растущими экологическими и экономическими последствиями цветения Sargassum.
