Азот необходим для морской жизни и циркулирует по всему океану в тонко сбалансированной системе. Живые организмы, особенно морские растения, называемые фитопланктоном, нуждаются в азоте в таких процессах, как фотосинтез. В свою очередь, рост фитопланктона поглощает углекислый газ из атмосферы и помогает регулировать глобальный климат.
Согласно новому исследованию Томаса Вебера, доцента кафедры наук о Земле и окружающей среде Рочестерского университета, небольшая микросреда в глубоком океане может содержать ключ к разгадке глобального круговорота азота в морской воде.
В статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience, Вебер и его соавтор Даниэле Бьянки, доцент кафедры атмосферных и океанических наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, показывают, что в этих микросредах существуют мелкие микробы, удаляющие азот из воды, и широко распространены, чем считалось ранее. Используя эти данные, они разработали компьютерную модель, которая меняет наше представление о морском азотном цикле.
Предыдущее понимание круговорота азота заключалось в том, что азот был потерян из океана только в трех регионах, где не хватает кислорода. Если бы мы хотели предсказать, как круговорот азота отреагирует на изменение климата, все, что нам нужно было сделать было предсказано, как эти три области с низким содержанием кислорода будут расширяться или сжиматься», - говорит Вебер. «Наше исследование меняет эту картину, показывая, что потеря азота на самом деле происходит в гораздо более крупных регионах, и нам нужно подумать о том, как меняется океан в целом».
Большинство морских организмов «дышат» или дышат, используя кислород. Когда в морской воде нет кислорода, микробы вместо этого дышат другими соединениями, такими как нитраты, форма азота. «Это приводит к удалению азота из океана», - говорит Вебер.
Исследователи ранее полагали, что анаэробные микробы - мелкие микроорганизмы и бактерии, которым не нужен кислород для дыхания - были обнаружены только в карманах океана с исключительно низким уровнем кислорода; в частности, три области, известные как «мертвые зоны».
Вебер и Бьянки разработали компьютерную модель, учитывающую новые генетические данные, полученные от океанских микробов. Данные указывают на то, что анаэробные микробы существуют не только в районах с бескислородной водой, но каким-то образом процветают в районах океана, где есть кислород. Азот, таким образом, может быть потерян на большей части океана, а не только в районах с дефицитом кислорода.
«Одной из крупнейших революций в океанографии за последние годы стала геномная революция», - говорит Вебер.«Океанографы смогли измерить все гены, присутствующие в морской воде». Одним из их открытий было то, что гены, обеспечивающие анаэробное дыхание, обнаружены не только в трех регионах; гены были обнаружены гораздо более широко распространенными по всему океану.
Всякий раз, когда доступен кислород, не должно быть организмов, которые дышат анаэробно, говорит Вебер. «Их должны вытеснить существа, использующие кислород, потому что это гораздо более эффективный способ дыхания».
Как же тогда эти анаэробные организмы выживают в местах, где присутствует кислород?
Вебер и Бьянки обнаружили, что небольшие «микросреды», обедненные кислородом, существуют по всему глубокому океану в богатом органическими веществами «морском снегу» - частицах органического вещества, таких как мертвые клетки планктона и экскременты зоопланктона, слипшиеся вместе. Микробы получают энергию, поедая органические вещества и используя кислород для дыхания. Если дыхание внутри частиц будет достаточно интенсивным, весь кислород может закончиться, и микробы перейдут на дыхание с использованием соединений, помимо кислорода.
«Мы предполагаем, что анаэробные микробы могут процветать на обширных участках насыщенного кислородом океана, в тонущем органическом «морском снегу», - говорит Бьянки. «Это меняет то, как мы думаем об азотном цикле и, в более общем смысле, об анаэробном метаболизме в океане, и предполагает, что и то, и другое может реагировать на изменение климата способами, которые бросают вызов нашему нынешнему пониманию».
Глобальное потепление вызывает повышение температуры океана, что приводит к увеличению потери кислорода, что затем может повлиять на баланс азота по всему миру. Когда люди возмущают одну часть системы, это может привести к неожиданным последствиям. Но компьютерные модели могут помочь лучше предсказать эти последствия.
«Потепление океана происходит из-за выбросов углекислого газа человеком, которые нагревают землю в целом», - говорит Вебер. «Косвенно это изменяет содержание кислорода и азота в океане. В конечном итоге это влияет на рост морского фитопланктона и его способность поглощать углекислый газ, что затем отражается на изменении климата. Наша новая работа и другие усилия по моделированию помогут нам лучше спланировать эти последствия».