Группа ученых из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре совместно с коллегами представила новые данные, оспаривающие устоявшиеся представления о фиксации углекислого газа в глубинах океана. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, помогает устранить многолетний пробел в расчетах баланса азота и скорости связывания растворенного неорганического углерода (DIC) в глубоководных слоях. Это открытие значительно улучшает понимание того, как океан поглощает и хранит углерод.
«Нам было крайне важно точнее понять, какое количество углерода фиксируется в океане, – отмечает микробиолог-океанограф Алисон Санторо, возглавлявшая исследование. – Теперь данные совпадают, и это замечательно». Работа получила частичную поддержку Национального научного фонда США.
Океан играет ключевую роль в регуляции климата Земли, являясь крупнейшим поглотителем углерода. Он абсорбирует примерно треть всех выбросов углекислого газа, производимых человечеством, тем самым помогая сдерживать глобальное потепление. Учитывая критическую важность этой естественной буферной системы, ученые постоянно стремятся детальнее изучить сложные механизмы, управляющие движением и хранением углерода в морской среде.
Санторо подчеркивает: «Для того чтобы океан мог влиять на климат, углерод должен перемещаться из атмосферы в его глубоководные слои. Поэтому понимание путей движения углерода в этих областях критически важно».
Значительная часть фиксации неорганического углерода осуществляется микроскопическими организмами. В верхних, освещенных слоях океана эту функцию выполняют фитопланктон – одноклеточные фотосинтезирующие организмы. Подобно наземным растениям, эти автотрофы производят собственное питание, используя углекислый газ и воду для создания органических веществ (сахаров) и выделения кислорода.
До недавнего времени считалось, что большая часть связывания растворенного неорганического углерода (DIC) происходит в поверхностных слоях океана благодаря фотосинтезирующему фитопланктону. Однако предполагалось, что значительный объем нефотосинтетической фиксации DIC также имеет место в более глубоких, лишенных света областях. В этих темных водах, как полагали, процесс контролировали автотрофные археи, которые окисляют аммиак – азотсодержащее соединение – для получения энергии, а не используют солнечный свет.
Однако последующие исследования, в ходе которых изучался азотный энергетический баланс микробов, фиксирующих углерод в толще воды, выявили значительное несоответствие. «Наблюдались расхождения между фактическими измерениями фиксации углерода в экспедициях и нашими представлениями об источниках энергии для микроорганизмов, – объясняет Санторо. – Мы просто не могли свести баланс для организмов, связывающих углерод». Микробам необходима энергия для фиксации углерода, но, по расчетам, в глубоком океане не хватало азотной энергии, чтобы обеспечить те высокие темпы связывания углерода, которые фиксировались по всей толще воды.
Это несоответствие долгое время оставалось загадкой для Алисон Санторо и ведущего автора статьи Барбары Байер, которые почти десять лет пытались устранить этот пробел в понимании океанического углеродного цикла. Предыдущие гипотезы предполагали, что археи, фиксирующие углерод, возможно, были гораздо эффективнее, чем считалось, и требовали меньше азота для связывания того же количества углерода. Однако их собственные исследования показали, что это объяснение оказалось неверным.
В рамках нового исследования ученые изменили подход, задавшись иным вопросом: каков реальный вклад этих аммиакоокисляющих организмов в общую фиксацию растворенного неорганического углерода в темных водах океана? Для получения ответа Барбара Байер разработала целенаправленный эксперимент. Она «изобрела метод, позволяющий специфически ингибировать активность этих окислителей в глубоком океане, – рассказывает Санторо. – Используя специализированное химическое вещество, фенилацетилен, команда ожидала увидеть резкое снижение фиксации углерода», при этом было подтверждено, что ингибитор не оказывает заметного воздействия на другие микроорганизмы или процессы в сообществе.
Однако результаты оказались неожиданными. Несмотря на ингибирование активности аммиакоокисляющих организмов, в основном архей, широко распространенных в глубоководных районах, скорость фиксации углерода в исследуемых областях снизилась не так значительно, как предполагалось.
Если аммиакоокисляющие археи не фиксируют столько углерода, сколько считалось ранее, значит, эту роль выполняют другие микроорганизмы. Круг потенциальных «исполнителей» теперь расширился и включает в себя другие типы микробов из окружающего сообщества, в частности бактерии и некоторые виды архей.
«Мы полагаем, что это означает активное поглощение значительного количества неорганического углерода гетеротрофами – микроорганизмами, которые обычно питаются органическим углеродом разлагающихся микробов и других морских организмов, – объясняет Санторо. – Это указывает на то, что они также ответственны за связывание части углекислого газа». Она добавляет, что это открытие крайне интересно, поскольку, несмотря на теоретическую возможность такой роли гетеротрофов, до сих пор не существовало количественных данных о том, какая доля углерода в глубоком океане фиксируется этими организмами по сравнению с автотрофами. Теперь такие данные появились.
Эти новые выводы не только уточняют, кто именно фиксирует углерод на больших глубинах, но и дают свежий взгляд на структуру и поддержание пищевой цепи глубоководного океана. «Существуют фундаментальные аспекты функционирования глубоководной пищевой сети, которые мы до сих пор не понимаем, – говорит Санторо. – Я рассматриваю наше исследование как шаг к пониманию того, как работает само основание этой пищевой пирамиды».
Дальнейшие исследования Санторо и ее коллег будут посвящены более тонким аспектам фиксации углерода в океане. В частности, они сосредоточатся на взаимодействии циклов азота и углерода с другими элементарными циклами, такими как железо и медь. «Еще один вопрос, который мы стремимся выяснить, – это каким образом углерод, после того как он фиксируется в клетках этих организмов, становится доступным для остальной части пищевой цепи, – отмечает Санторо. – Какие органические соединения они могут выделять из своих клеток, которые могли бы служить пищей для других звеньев пищевой сети?»
В работе над статьей также приняли участие Никола Л. Пол, Джастин Б. Альберс и Крейг А. Карлсон из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Катарина Китцингер и Михаэль Вагнер из Венского университета, а также Мак А. Сайто из Океанографического института Вудс-Хоул.
