Почти вся жизнь на Земле - от синего кита размером с гигантский реактивный самолет до крошечных микробов - использует углерод в той или иной форме.
Однако в глубоком океане не весь углерод создан равным.
В то время как некоторые, такие как сахара и белки, быстро поглощаются микроорганизмами, которые называют океан своим домом, некоторые - хитин, содержащийся в рыбьей чешуе и морских экзоскелетах, - потреблять гораздо труднее. Ученые долгое время считали, что относительно мало так называемого «тугоплавкого углерода» съедается. Большая часть его просто падает на дно океана и помогает формировать глубоководные отложения, хотя некоторые небольшие тугоплавкие молекулы остаются во взвешенном состоянии в океане и плывут по течениям тысячи лет.
Но группа исследователей во главе с профессором органической и эволюционной биологии Питером Гиргуисом и Суни Шахом Уолтером, в то время научным сотрудником лаборатории Гиргиса, показала, что подземные водоносные горизонты вдоль срединно-океанического хребта действуют как естественные биологические реакторы, втягивающие холодную, насыщенную кислородом морскую воду и позволяющие микробам расщеплять больше - возможно, гораздо больше - тугоплавкого углерода, чем когда-либо предполагали ученые. Исследование описано в статье от 23 апреля, опубликованной в журнале Nature Geoscience..
«У этого есть реальная перспектива изменить то, как мы думаем о круговороте углерода в глубоком океане», - сказал Гиргуис. «Вместо того, чтобы устанавливать крошечный реактор здесь, в лаборатории, может быть, с десятью литрами воды и качать его, чтобы получить какой-то результат, это естественная лаборатория.
«В конце концов, наше сообщество хочет знать, что происходит с углеродом», - продолжил он. «Мы знаем, что он производится на поверхности фотосинтезирующими водорослями. Мы знаем, что рыба ест часть этого. Мы знаем, что некоторые из них тонут. Мы можем объяснить это, но у нас есть огромные дыры в нашем бюджете».
Хотя исследование начинает заполнять эти пробелы, оно также помогает пролить свет на часть глубоководного углеродного цикла, которая была загадкой.
«Мы не знаем, куда уходит весь этот старый углерод, и подземные водоносные горизонты являются частью ответа», - добавил Шах Уолтер. «Большинство жидкостей, циркулирующих в земной коре, могут выглядеть так, просто мы мало знали о том, что в них происходит раньше».
«Эта работа показывает, что обширное сообщество микробов под морским дном может питаться морской водой, циркулирующей через глубоководную океанскую кору», - сказал Майкл Сираки, программный директор Отделения наук об океане Национального научного фонда, который финансировал исследование. «В свою очередь, эти микробы изменяют состав морской воды, которая затем циркулирует обратно в океан».
В основе системы, по словам Гиргуиса, лежит срединно-океанский хребет, массивная цепь подводных гор, окружающих земной шар.
Ключевая часть в развитии теории тектоники, в глубоком океане система хребтов действует как конвекционная ячейка - вода просачивается в трещины и трещины по обеим сторонам хребта и нагревается по мере приближения к ось, где магма находится близко к поверхности. По мере того, как эта нагретая вода поднимается, холодная, насыщенная кислородом морская вода втягивается в скалы, создавая массивный подводный водоносный горизонт.
Для ученых, таких как Гиргис, работающих над изучением циклов углерода в океане, водоносный горизонт представляет собой редкую возможность изучить океан практически в идеальных условиях.
«Наше понимание того, куда уходит углерод в океане, довольно зачаточное», - сказал он. «Это дает нам возможность отправиться в эту природную лабораторию и впервые… провести измерение в точке А и измерение в точке Б и поговорить о том, что происходит между ними. Это редкая возможность в глубоком море. Нигде в глубоком океане мы не можем сделать это в толще воды - это невозможно, потому что она слишком хорошо перемешана."
Чтобы получить эти измерения, Гиргис и его коллеги нацелились на место в центре Атлантики, которое они назвали «Северным прудом».
В 2011 году международная группа исследователей пробурила серию скважин на морском дне и собрала образцы воды, чтобы определить, какие микробы называют водоносный горизонт домом и способны ли они потреблять углерод.
«Мы хотели воспользоваться этим и собрать нетронутую воду и образцы микробов», - сказал он. «Когда вы смотрите на эти системы срединно-океанических хребтов и думаете о воде, которая циркулирует через них, кажется, что большая часть океана циркулирует через эту холодную кислородную среду… мы хотели знать, что там происходит с микробы и что происходит с углеродом, который они получают."
"Зачем нам это?" он продолжил. «Мы заботимся о судьбе углерода, потому что углеродный цикл чрезвычайно важен не только для изменения климата, но и для того, чтобы помочь нам понять, как работают океаны».
Но когда команда начала собирать образцы из водоносного горизонта, по словам Шах Уолтер, их ждал сюрприз.
«Когда команда извлекала жидкости из водоносного горизонта, они не ожидали, что они будут так похожи на морскую воду, как она есть», - сказал Шах Уолтер. «Все планы были для жидкостей, которые больше походили на другие гидротермальные жидкости (которые могут показывать высокие уровни метана и более низкие уровни кислорода). Они были подготовлены, например, для измерения метана. Но на первый взгляд жидкости Северного пруда выглядели очень похожими по химическому составу. к морской воде, вот тогда я и втянулся, потому что моя работа была сосредоточена на открытом океане. Поэтому тот факт, что это была уникальная среда, что мы могли использовать этот естественный инкубатор, стало нам ясно после того, как появились образцы."
Хотя Гиргуис и его коллеги смогли показать, что микробы в водоносном горизонте могут питаться углеродом, оставалось неясным, насколько они активны.
«Используя ограниченные данные, которые у нас есть, мы смогли показать, что вода поступает с определенной концентрацией кислорода, и когда она падает, углерод уменьшается прямо пропорционально», - сказал он. «Это дает нам высокую степень уверенности в том, что микробы едят его и используют кислород».
На самом деле, сказал Гиргуис, вполне возможно, что микробы поедают углерод с впечатляющей скоростью.
«Мы обнаружили, что около 50 процентов углерода потребляется, но важно понимать, что это число очень консервативно», - сказал он. «Если учесть, как мало мы знаем об этой системе… напрашивается вопрос, что происходит с этой водой, пока она продолжает течь здесь. Нетрудно представить, что в конечном итоге мы можем обнаружить, что большая часть углерода съедается."
В более поздних тестах Гиргис и его коллеги показали, что по мере того, как вода движется через водоносный горизонт в течение почти 3000 лет, легкоусвояемый углерод потребляется быстро - всего за несколько сотен лет. Что еще более важно, они также обнаружили признаки того, что тугоплавкий углерод также съедается.
«Что интересно, так это то, что в течение долгого времени - и даже сегодня - ведутся споры о том, как быстро (тугоплавкий углерод) можно съесть», - сказал Гиргуис. «Но эта естественная лаборатория показала нам, что это не только разлагается биологически, но и время, в течение которого оно съедается».
В конечном счете, по словам Гиргуиса, исследование подчеркивает, каким образом понимание глубин океана может привести к лучшему общему пониманию океана.
«Мы думаем, что весь океан циркулирует через эту систему срединно-океанических хребтов каждые 100 000-200 000 лет», - сказал Гиргуис. «Если весь океан циркулирует через этот водоносный горизонт, мы думаем, что это, вероятно, лучшее представление типичного взаимодействия микробов и морской воды, когда они проходят через эту систему.
«Пока у нас не было этих данных, в наших знаниях был большой пробел», - добавил он. «Мы думали, что сюда втягивается вода, и все действие происходит, когда становится жарко. Но мы больше не думаем, что это правда, особенно потому, что эти микробы поедают этот трудноусвояемый углерод».
Двигаясь вперед, Гиргис и его коллеги надеются лучше количественно определить, сколько углерода потребляется, когда морская вода движется через водоносный горизонт, и могут ли минералы в базальтовой породе способствовать способности микробов потреблять тугоплавкий углерод.
Текущие исследования, сказал Шах Уолтер, направлены на тестирование водоносного горизонта в других местах, а также на проверку того, потребляют ли микробы твердые частицы в водоносном горизонте.
«Большая часть жидкости, которая циркулирует в земной коре, холодная, как эта, и пока это единственное место, на которое мы смотрим, поэтому нам определенно нужно искать в других местах», - сказала она. «Но в нашем углеродном бюджете все еще есть дыра. У нас есть идея, что одна недостающая часть головоломки заключается в том, что мы не смотрели на частицы в воде. Мы думаем, что сможем закрыть эту дыру, приняв во внимание углеродный метаболизм, происходящий с этими частицами».
«Это началось с намерения сказать… давайте выясним, что микробы делают в этом холодном, насыщенном кислородом водоносном горизонте, и мы можем добавить эти данные к нашему пониманию углеродного цикла», - сказал Гиргуис. «Но, глядя на данные, мы были довольно удивлены результатами, которые говорят нам, что неудивительно, что сначала потребляется этот легкий для употребления углерод, но затем мы начали видеть признаки потребления этого тугоплавкого углерода.
"Это большое дело", добавил он. «Одним из способов думать об этом является то, что все существа зависят от углерода, и есть этот цикл, в котором углерод производится и потребляется… но изучение этого в толще воды нецелесообразно. Но возьмите эту воду и прокачайте ее через подземный, насыщенный кислородом водоносный горизонт и у вас вдруг появляется возможность поближе взглянуть на эти процессы."