Живой, дышащий океан, возможно, начинает медленно задыхаться. Согласно сообщениям, более двух процентов содержания кислорода в океане было истощено за последние полвека, и морские «мертвые зоны» продолжают расширяться по всему мировому океану. Деоксигенация, вызванная главным образом увеличением количества удобрений и сточных вод, стекающих в океан, представляет серьезную угрозу для морской жизни и экосистем.
Тем не менее, несмотря на критическую роль кислорода в океане, у ученых не было способа измерить, насколько быстро происходит деоксигенация - ни сегодня, ни в прошлом, когда так называемые крупные «бескислородные события» приводили к катастрофическому вымиранию морская жизнь.
Теперь исследователи из Океанографического института Вудс-Хоул, Университета штата Аризона и Университета штата Флорида впервые разработали способ количественной оценки скорости деоксигенации в древних океанах. Исследование было опубликовано 9 августа 2017 года в журнале Science Advances..
«На сегодняшний день у ученых не было количественных инструментов, способных точно измерить скорость, с которой происходит истощение кислорода», - сказал Суне Нильсен, ученый WHOI и соавтор статьи. «Может ли океан потерять половину своего кислорода за тысячу лет? Этот новый инструмент поможет нам понять, с какой скоростью деоксигенация происходила в прошлом, и, в конечном счете, оценить, насколько нынешние потери могут распространиться на будущее».
Наряду с более высокой температурой моря и закислением океана, деоксигенация океана является еще одной угрозой для морских экосистем, которая беспокоит ученых. Вызванное в значительной степени деятельностью человека, расширение карманов бескислородных вод по всему мировому океану делает места обитания некоторых рыб неустойчивыми и оказывает влияние на экономически важные рыбные промыслы.
Запас кислорода в океане сокращается под воздействием ряда факторов. Когда стоки удобрений и сточных вод попадают в море, они стимулируют рост фитопланктона, который перерабатывает питательные вещества и превращает их в органические вещества. Когда планктон умирает и тонет, морские микробы потребляют органическое вещество и используют кислород в воде во время процесса. Следовательно, больший рост фитопланктона в поверхностных водах может привести к чистой потере кислорода в океанских глубинах.
Чтобы определить, насколько быстро происходит потеря кислорода в океане в течение длительного времени, исследователи изучили древние отложения морского дна во время одного из самых экстремальных явлений изменения климата на Земле, известного как Океаническое бескислородное событие 2. Оно привело к крупному глобальному вымиранию. морских животных 94 миллиона лет назад, когда динозавры бродили по Земле. Отложения сохраняют изотопный состав таллия древней морской воды, который меняется в зависимости от количества кислорода в глубинах океана в момент их отложения. Отложения со временем накапливаются, а более глубокие уровни соответствуют временам более далекого прошлого.
Метод включает измерение изотопов таллия в отложениях. Относительное количество более тяжелого изотопа таллия увеличивается по мере снижения уровня глубоководного кислорода. Исследователи применили свою новую технику для анализа потери кислорода в образцах горных пород возрастом 94 миллиона лет, пробуренных под морским дном у побережья Суринама, Южная Америка.
Исследование началось, когда Чадлин Острандер (сейчас аспирант в Университете штата Аризона) был стипендиатом летних студентов бакалавриата, а Джереми Оуэнс (ныне доцент в Университете штата Флорида) был научным сотрудником с докторской степенью в WHOI, работая с Nielsen.
«Мы растворили камни в нашей лаборатории, - объяснил Острандер, - а затем химически разделили все, кроме элемента, необходимого для анализа: таллия. Затем с помощью масс-спектрометрии мы смогли измерить вариации этого элемента как косвенный показатель изменений уровня кислорода, происходящих на протяжении десятков тысяч лет."
Основываясь на анализе, исследователи подозревают, что до половины глубоководных слоев океана лишились кислорода во время Океанического бескислородного события 2 и оставались бескислородными примерно полмиллиона лет, прежде чем восстановились. Что еще более важно, они смогли провести параллель между скоростью дезоксигенации в то время и современными тенденциями потери кислорода сейчас.
Наши результаты показывают, что скорость дезоксигенации морской среды до древнего события, вероятно, происходила в течение десятков тысяч лет и удивительно похожа на двухпроцентную тенденцию истощения кислорода, которую мы наблюдаем, вызванную антропогенной деятельностью за последние пятьдесят лет. лет», - сказал Нильсен. «Мы не знаем, движется ли океан к еще одному глобальному бескислородному событию, но тенденция, конечно, вызывает беспокойство».
Новая методика может заложить основу для прогнозирования будущих потерь кислорода в океане. Но ученые заявили, что для продвижения их исследований необходимо дальнейшее изучение прошлых моделей деоксигенации. Они планируют проанализировать дополнительные древние отложения, чтобы выяснить, как выглядел уровень кислорода в океане, когда впервые появились крупные морские животные, и как эти условия менялись с течением времени.
«На данный момент мы только начинаем понимать, как изменялся уровень кислорода в океане в прошлом», - сказал Острандер. «Но с помощью нашего нового инструмента мы уже узнали, что одно из самых экстремальных климатических явлений в глубоководной летописи осадочных пород обеспечивает неудобно разумный аналог возможного будущего обескислороживания океана и последующих экологических сдвигов. Мы надеемся, что сможем использовать это. информацию, чтобы получить представление о том, что принесет краткосрочное, среднесрочное и долгосрочное будущее для содержания кислорода в океане».