Глубоководные кораллы — это колониальные организмы, которые могут жить тысячи лет, питаясь органическими веществами, которые стекают с верхних уровней океана. Ветвящиеся, древовидные скелеты кораллов состоят из твердого белкового материала, который включает химические сигнатуры из их источников питания. В результате изменения в составе слоев роста глубоководных кораллов отражают изменения в организмах, которые жили в поверхностных водах во время формирования каждого слоя.
«Они похожи на ловушки из живых отложений, регистрирующие долгосрочные изменения в открытом океане, которые мы не можем увидеть иначе», — сказал соавтор Мэтью Маккарти, профессор наук об океане Калифорнийского университета в Санта-Круз.Ученые могут изучать керны донных отложений, взятые со дна океана, чтобы узнать о прошлых условиях в океанах, но этот подход не очень полезен для последних тысячелетий. В открытом океане северной части Тихого океана отложения накапливаются так медленно, что вся эпоха голоцена (последние 12000 лет или около того) представлена ??менее чем 10 сантиметрами (4 дюйма) отложений, которые были взбудоражены организмами, живущими на морском дне. . «Даже если бы были хорошие записи об отложениях, мы никогда не смогли бы получить такой уровень детализации, который мы можем получить от кораллов», — сказал Маккарти.Чтобы проанализировать скелеты кораллов, исследователи UCSC объединили углеродное датирование с новым методом анализа изотопов азота в белках.
Им удалось восстановить записи за последние 1000 лет, указывающие на то, что примерно в 1850 году произошел сдвиг в источнике азота, питающем поверхностные воды открытого океана. В результате уменьшения поступления азота из подземных вод в сообществе фитопланктона в основании пищевой сети все больше преобладают азотфиксирующие цианобактерии, которые могут использовать газообразный азот, поглощаемый поверхностными водами из атмосферы."В морской среде двумя основными источниками азота являются растворенный нитрат, который в большей степени сконцентрирован в подповерхностных и глубоких водах и выносится на поверхность в результате апвеллинга, и фиксация азота специализированными микроорганизмами, которые похожи на морские бобовые, "- объяснил первый автор Оуэн Шервуд, который работал над исследованием в качестве постдокторанта в UCSC, а сейчас работает в Университете Колорадо в Боулдере.
Сдвиг, выявленный в коралловых записях — от экосистемы, поддерживаемой нитратами, поступающими из более глубоких вод, к экосистеме, в большей степени поддерживаемой азотфиксирующими организмами, — может быть результатом расширения и повышения температуры субтропического круговорота северной части Тихого океана с более стабильным слоистым слоем. теплой поверхностной воды над более холодной подземной водой. Эта повышенная «стратификация» ограничивает количество питательных веществ, доставляемых на поверхность в богатых питательными веществами подземных водах.Ученые наблюдали потепление и расширение основных срединно-океанических субтропических круговоротов в последние несколько десятилетий и приписали эту тенденцию глобальному потеплению. Новое исследование помещает эти наблюдения в контекст долгосрочной тенденции. «Похоже, что изменение источников азота и, следовательно, возможно, крупномасштабные сдвиги в условиях океана, начались в конце малого ледникового периода и продолжаются до сих пор», — сказал Маккарти.
Ключевое новшество в анализе изотопов азота имело решающее значение для этого исследования. Азот-15 является второстепенным стабильным изотопом азота, и отношение азота-15 к азоту-14 широко используется для отслеживания различных источников азота. Например, азот, фиксируемый цианобактериями в поверхностных водах, имеет другое соотношение изотопов, чем нитраты в глубоководных водах океана. Соотношение изотопов также изменяется по мере того, как организмы поедают друг друга и азот перемещается по пищевой сети, причем организмы в основе сети имеют более низкие соотношения, чем организмы на более высоких «трофических уровнях».
Таким образом, два независимых фактора — трофический уровень и исходный источник азота — определяют соотношение изотопов азота в организме. Лаборатория Маккарти разработала методику, с помощью которой можно разделить эти два фактора, анализируя отдельные аминокислоты — строительные блоки белков. Оказывается, изотопные отношения некоторых аминокислот остаются неизменными по мере их продвижения по пищевой сети, в то время как другие аминокислоты обогащаются азотом-15 с каждым трофическим переносом.«Аминокислотный анализ разделяет эти два эффекта, поэтому мы можем увидеть их относительные величины», — сказал Маккарти. «То, что мы наблюдаем в центральной части Тихого океана, — это серьезный сдвиг в основе пищевой сети».
Масштабы изменений драматичны: азотфиксация увеличилась на 17–27 процентов примерно с 1850 года, после почти тысячелетия относительно незначительных колебаний. «По сравнению с другими переходами в палеоокеанографической летописи, он гигантский», — сказал Шервуд. «Это сопоставимо с изменением, наблюдаемым при переходе между эпохами плейстоцена и голоцена, за исключением того, что это происходит на порядок быстрее».Эти и другие недавние результаты меняют представления ученых о стабильности круговоротов открытого океана, таких как субтропический круговорот в северной части Тихого океана, который является крупнейшей непрерывной экосистемой на планете. Эти водовороты открытого океана когда-то считались относительно статичными, лишенными питательных веществ «пустынями».
Однако в 1980-х годах ученые начали регулярно отслеживать океанографические условия на глубоководной станции ALOHA недалеко от Гавайев, обнаруживая удивительную вариабельность.«Вместо относительно постоянных океанических пустынь данные временного ряда показали динамические изменения в десятилетнем масштабе», — сказал Маккарти. «Наши новые данные по глубоководным кораллам теперь показывают, что изменения десятилетнего масштаба на самом деле представляют собой лишь небольшие колебания, наложенные на резкий долгосрочный сдвиг в основе экосистемы Тихого океана.
Эта долгосрочная перспектива может помочь нам лучше предсказать последствия глобального потепления в регионах открытого океана ".Новые результаты также предполагают новую интерпретацию данных других исследователей, показывающих изменения изотопов азота в костях морских птиц.
Недавнее исследование костей гавайских буревестников с использованием данных об изотопах азота объяснило это изменение сдвигом длины пищевых цепей в открытом океане, возможно, вызванным переловом (заставляющим буревестников питаться ниже по пищевой цепи). Фактически, данные по конкретным соединениям убедительно свидетельствуют о том, что изотопные изменения на всех трофических уровнях более вероятны из-за долгосрочного сдвига в источниках азота в основе пищевой сети, сказал Маккарти.
Соавтор Том Гилдерсон, который связан с UCSC и Ливерморской национальной лабораторией, более десяти лет собирает глубоководные кораллы, чтобы изучать их в поисках ключей к прошлым океанографическим и экологическим условиям. Он объединился с Маккарти, чтобы инициировать этот проект. Помимо Маккарти, Гилдерсона и Шервуда, в число соавторов статьи входят аспиранты UCSC Фабиан Батиста и Джон Шифф.Образцы кораллов были собраны подводным аппаратом Pisces V Гавайской подводной исследовательской лаборатории при финансовой поддержке Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Национального географического общества.
Большая часть этого исследования финансировалась Национальным научным фондом.