Это называется «биологический насос», и если бы он работал на 100 процентов эффективно, почти каждый атом углерода, попавший в океан, был бы преобразован в органический углерод, погрузился в глубокий океан и оставался изолированным от атмосферы на протяжении тысячелетий. Но подобно граду, который тает, не достигнув земли, некоторое количество углерода никогда не попадает в глубокий океан, позволяя CO2 просачиваться обратно в верхние слои океана и в конечном итоге обмениваться с атмосферой.В новом исследовании, опубликованном 27 апреля в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Океанографического института Вудс-Холла (WHOI) и их коллега из Университета Рутгерса обнаружили неожиданное новое короткое замыкание в биологическом насосе.
Они обнаружили, что тонущие частицы подвергнутого стрессу и умирающего фитопланктона высвобождают химические вещества, которые оказывают дрожащее стероидное действие на морских бактерий, питающихся этими частицами. Эти химические вещества стимулируют метаболизм бактерий, заставляя их быстрее преобразовывать органический углерод в частицах обратно в CO2, прежде чем они смогут погрузиться в океан.«Мы думаем, что эти соединения действуют как сигналы для бактериального сообщества, чтобы дать им знать, что фитопланктон умирает, получить много« бесплатной »пищи и ускорить их метаболизм», — сказала Бетани Эдвардс, ведущий автор исследования и аспирант совместной программы MIT / WHOI по океанографии. «Когда бактерии быстрее потребляют фитопланктон, больше CO2 выделяется на небольших глубинах, где он может быстрее вернуться на поверхность океана и в атмосферу».
Обычно детрит фитопланктона не оказывает особого воздействия на бактерии; они просто источник пищи. Но фитопланктон в этом исследовании — диатомеи — другой.
При стрессе некоторые диатомовые водоросли выделяют биоактивные молекулы, известные как полиненасыщенные альдегиды (ППУ). Исследователи обнаружили, что эти молекулы запускают метаболизм бактерий и скорость дыхания CO2 в гипердвигатель — как у худых тяжелоатлетов после укола стероидами. Бактерии начинают поглощать падающие частицы, как если бы они были в буфете с неограниченным количеством еды, и значительно сокращают количество тонущего детрита, выделяя при этом CO2.
Эдвардс, ее советник, ученый WHOI Бен Ван Моой и соавтор Кей Бидл из Университета Рутгерса отправились в море, чтобы собрать и проанализировать образцы частиц из нескольких мест по всей Северной Атлантике, включая Саргассово море, субарктическую часть Северной Атлантики недалеко от Исландии и западная часть Северной Атлантики недалеко от Массачусетса. По словам Ван Муя, пространственный охват важен.«Мы знаем, что в одних местах поглощается больше углерода, а в других меньше, поэтому мы хотели лучше понять его распределение по различным регионам океана», — сказал он.Для сбора частиц осадочные ловушки в форме воронки шириной 6 футов были погружены на глубину 150 метров (на фото огромные транспортные конусы, опущенные вверх дном в океан) на 24 часа.
После того, как ловушки были возвращены на поверхность, ученые инкубировали собранные частицы с ПУК и проанализировали изменения в метаболизме бактерий за 24-часовой период.«Очень редко вы видите, что организмы положительно реагируют на ППУ. На самом деле, в более высоких концентрациях они часто оказывают токсическое действие, вызывая снижение скорости роста и мутаций фитопланктона», — сказал Эдвардс. «Но наши результаты были очень неожиданными.
Мы увидели увеличение скорости производства CO2, активности ферментов и роста бактериальных клеток».Ученые также обнаружили гораздо более высокие концентрации ППУ в тонущих частицах, чем ранее наблюдались в толще воды. «Это говорит о том, что тонущие частицы являются« горячими точками »для производства ПУК», — сказал Эдвардс.«Это исследование показывает, что когда речь идет о долгосрочном биологическом связывании атмосферного углекислого газа в океане, не все виды фитопланктона одинаковы», — сказал Дон Райс, программный директор отдела химической океанографии Национального научного фонда (NSF).
Программа, частично профинансировавшая исследование.«Эти ученые обнаружили еще один нюанс, который может повлиять на эффективность биологического насоса для удаления углерода из поверхностных вод», — добавил Дэвид Гаррисон, программный директор Программы биологической океанографии NSF, которая также внесла средства на проект.Маленькие соединения, большие последствия
Ученые, изучающие, что определяет судьбу углерода в океане, исследовали такие факторы, как то, насколько легко частицы фитопланктона разрушаются, сколько углерода в них содержится и как быстро они тонут. По словам Ван Муя, это исследование впервые показывает, как молекулярные соединения влияют на то, что происходит с СО2 в океане.«Глубина оседания органического углерода важна, поскольку около четверти CO2 от сжигания ископаемого топлива попадает в глубокий океан из-за этих механизмов», — сказал Ван Мой. «Более полувека люди пытались понять, почему углерод поглощает больше здесь, а не там.
Эти молекулы [PUA] говорят нам, что они должны играть во всем этом свою роль».«Обычно мы думаем, что температура и другие физико-химические факторы имеют решающее значение для определения бактериальной переработки диатомового детрита и того, насколько глубоко он опускается в океан, но эта работа показывает, что молекулярный состав« инфохимических веществ »действительно имеет значение», — сказал Бидл."Команда убедительно доказывает, что на рост микробов и последующий поток углерода в море могут влиять не только хищники и ограничение питательных веществ, но и уникальные химические вещества, которые влияют на поведение микробов — важная новая идея. ", — сказал Джон Кэй, программный директор Инициативы по морской микробиологии в Фонде Гордона и Бетти Мур, который является основным спонсором исследования.
Эдвардс рассматривает это исследование как ступеньку к более четкому пониманию абсорбции СО2 в океане и эффективности биологического насоса в обширном планетарном цикле, который обеспечивает циркуляцию углерода через воздух, землю, океан и живые существа.«Получая более подробные знания о сложных взаимодействиях морских микробов, — сказала она, — мы можем нарисовать более полную картину того, как работает углеродный цикл, положительные и отрицательные обратные связи и последствия для глобального климата».