Крошечные кристаллы гипса могут сделать фитопланктон настолько тяжелым, что он быстро тонет, тем самым перенося большое количество углерода в глубины океана. Специалисты Института Альфреда Вегенера недавно впервые наблюдали это явление в Арктике. В результате этого массового переноса водорослей в будущем большое количество питательных веществ может быть потеряно из поверхностных вод.
Когда морские водоросли умирают, они обычно в замедленной съемке уплывают в глубины океана. Однако во время экспедиции исследовательского ледокола «Поларштерн» в Арктику весной 2015 года ученые из Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований им. Гельмгольца (AWI) обнаружили явление, значительно ускоряющее этот перенос: крошечные кристаллы гипса, которые образующиеся при замерзании соли в пористых пространствах арктического морского льда, утяжеляют фитопланктон, как тяжелый балласт, утягивая его на дно в течение считанных часов. Эффект подобен экспресс-лифту для содержащегося в них углерода. «Раньше этот механизм был совершенно неизвестен», - говорит морской биогеолог д-р Ютта Волленбург, которая обнаружила комки фитопланктона, утяжеленные кристаллами гипса, на морском дне во время так называемой экспедиции TRANSSIZ. Теперь она вместе с международной командой исследователей опубликовала статью в журнале Scientific Reports об этом процессе. «Быстрый экспорт фитопланктона может иметь ряд последствий для углеродного цикла и продуктивности Арктики в масштабах, которые мы пока не можем точно предсказать."
Как и наземные растения, в процессе фотосинтеза фитопланктон поглощает углекислый газ, который использует для производства высокоэнергетических соединений глюкозы. Таким образом, они поглощают углекислый газ из атмосферы. Как только фитопланктон умирает, он начинает тонуть. Тем не менее, лишь небольшая часть достигает морского дна. Подавляющее большинство фитопланктона остается в самых верхних слоях воды, где он разрушается бактериями, высвобождая питательные вещества и углекислый газ. Напротив, включенные кристаллы гипса, по-видимому, тянут комки фитопланктона вниз так быстро, что у них нет времени на разрушение, в результате чего больше массы фитопланктона достигает морского дна. Если эти кристаллы утащат фитопланктон до того, как бактерии смогут их разложить, верхние слои воды могут потерять такие питательные вещества, как нитраты. Это, в свою очередь, может повлиять на морскую пищевую сеть. Питательных веществ, важных для роста фитопланктона, мало; в свою очередь, фитопланктон является источником пищи для мелких ракообразных, которые сами являются основным продуктом питания рыб.«Однако из-за транспортировки гипса все больше пищи попадает в глубины океана, обычно бедные едой», - говорит Ютта Волленбург. «Мы уже наблюдали, как изменение притока пищи повлияло на глубоководные органические сообщества в Арктике».
Таким образом, это недавно наблюдаемое явление поднимает ряд новых вопросов. Ютта Волленбург впервые заметила это во время развертывания мультикорера (MUC) - устройства, оснащенного видеокамерой и используемого для сбора образцов донных отложений со дна океана, - с борта исследовательского судна Polarstern. «По мере того, как многоядерный зонд спускался, мы продолжали видеть плотные глыбы фитопланктона, которые быстро тонули, а позже мы обнаружили еще много разбросанных по морскому дну». Что удивило Ютту Волленбург: ни один другой исследователь никогда не сообщал под сплошным льдом о такой плотной концентрации фитопланктона на всех глубинах воды вплоть до дна океана. С помощью мультикора она вывела на борт некоторое количество шишек. Под микроскопом она увидела, что между водорослями находится бесчисленное количество кристаллических иголок сантиметровой длины. После ее возвращения в Бремерхафен ее коллеги более внимательно изучили материал, который они идентифицировали как гипс. Гипс состоит из кальция и сульфата - минералов, которые обогащаются в пористых пространствах морского льда в процессе промерзания.
«Теперь мы знаем, что эти кристаллы образуются в морском льду при низких температурах», - говорит физик морского льда AWI доктор Кристиан Кэтлейн. «Весной, когда лед начинает медленно таять, высвобождается большое количество этих кристаллов гипса». В данном конкретном случае это произошло, когда первые лучи весны проникли в истончающийся лед, заставив пенистую водоросль Phaeocystis быстро размножаться и произвести так называемое весеннее цветение. Благодаря липкой поверхности фитопланктона кристаллы гипса могут прилипать к нему - до тех пор, пока комки не станут настолько тяжелыми, что быстро утонут.
Это примечательно для Ютты Волленбург, потому что изменение климата означает, что морской лед, который в настоящее время представляет собой в основном однолетний лед, весной тает все больше и больше. Соответственно, в будущем во время весеннего цветения, вероятно, будут высвобождаться дополнительные кристаллы гипса. Кроме того, морской лед становится все более хрупким и, следовательно, более прозрачным. Это приводит к продолжительному цветению подо льдом водорослей. Особенно Phaeocystis может расти при сравнительно небольшом освещении. «В результате два явления - цветение и высвобождение кристаллов гипса - в будущем могут чаще совпадать», - говорит эколог AWI по морскому льду доктор Илка Пикен. «Если они это сделают, значительное количество массы фитопланктона может опуститься на дно моря». Это может иметь последствия для жизни в водах Арктики: «Мы можем наблюдать стойкое снижение концентрации биогенных веществ в верхних слоях воды, что в конечном итоге может сказаться на численности рыбы, а вместе с ней и на рыбной промышленности в регионе». - говорит Ютта Волленбург.
Другой вопрос заключается в том, может ли явление ускоренного переноса биомассы водорослей на самом деле принести больше углерода на дно океана, где он будет храниться в течение нескольких сотен лет. Эксперты также называют этот механизм «биологическим углеродным насосом». «Вполне возможно, что таким же образом в глубины Антарктического океана попадает больше углерода, чем предполагалось на сегодняшний день», - говорит Ютта Волленбург. Соответственно, она и ее коллеги теперь планируют более детально проанализировать этот процесс в полярных регионах.