Как мы можем знать что-либо об уровне углекислого газа в атмосфере в далеком прошлом Земли? Крошечные пузырьки, застрявшие во льду, представляют собой образцы древнего воздуха, но эта запись насчитывает всего 800 000 лет. Чтобы заглянуть еще дальше, ученые должны полагаться на косвенные показатели климата или измеряемые параметры, которые систематически меняются в зависимости от климатических условий.
Стандартным показателем является соотношение изотопов кислорода в крошечном зоопланктоне, называемом фораминиферой. Существует более 50 000 различных видов этих жуков, 10 000 живых и 40 000 вымерших. Поскольку раковины фораминифер довольно точно фиксируют соотношение изотопов кислорода в морской воде, они дают сигнал, который можно использовать для определения древних температур.
Но в осадочных архивах пылится еще один потенциальный заменитель: крошечный фитопланктон, называемый кокколитофоридами. Они встречаются в большом количестве по всему солнечному слою океана. Их крошечные, похожие на колпачок пластины, называемые кокколитами, являются основным компонентом мела, позднемелового образования, которое выходит на поверхность на Белых скалах Дувра, и основным компонентом «известкового ила», покрывающего большую часть морского дна..
Поскольку кокколитофориды являются первичными производителями, которые важны для биогеохимии океана, они являются хорошо изученными организмами. Однако они меньше используются для палеоокеанографических реконструкций, чем фораминиферы, потому что они создают свои пластины внутри своих клеток, а не осаждают их непосредственно из морской воды. Это означает, что на климатическом сигнале имеется большое биологическое наложение, которое затрудняет его интерпретацию.
Но новые данные, опубликованные в номере журнала Nature Communications от 28 февраля, могут это изменить. Воссоздавая доисторическую среду в лабораторных условиях, группа ученых из Оксфордского университета, в том числе Гарри МакКлелланд, ныне занимающий постдокторскую степень в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, и Плимутская морская лаборатория вырастили несколько различных видов этих водорослей, каждый из которых содержал различные уровни углерода.
Используя эти экспериментальные данные, они создали математическую модель потоков углерода в кокколитофорной клетке, которая объясняет необъяснимые ранее вариации изотопного состава тромбоцитов, производимых водорослями, и обеспечивает основу для разработки нового набора прокси.
При правильном понимании "шум" сам по себе может быть сигналом. По словам Макклелланда, кокколиты открывают окно в древнюю биологию, а также в климат.
H тяжелые и легкие кокколиты
Макклелланд объясняет, что ученые начали с небольшой загадки. Кокколиты были разделены на две группы - легкую и тяжелую группу - в зависимости от того, были ли осажденные ими тромбоциты беднее или богаче более редким тяжелым изотопом углерода по сравнению с карбонатом кальция, образованным физическими (абиотическими) процессами. Отклонения от абиотической нормы были «большими и загадочными», сказал Макклелланд.
Тяжелые изотопы подвергаются всем тем же химическим реакциям, что и легкие изотопы, но просто потому, что они имеют немного разные массы, они делают это с несколько иной скоростью. Эти крошечные различия в скорости реакции приводят к тому, что продукты реакций имеют другое соотношение изотопов, чем исходные материалы.
Кокколитофориды осуществляют соответствующую углеродную химию в двух разных клеточных компартментах: хлоропластах, где происходит фотосинтез, и кокколитовых везикулах, где осаждаются тромбоциты. Основная проблема с расшифровкой их изотопной записи, которую оставляют водоросли, заключается в том, что эти два процесса изменяют изотопный состав пула углерода в противоположных направлениях.
В своих хлоропластах кокколитофориды поглощают неорганический углерод и встраивают его в биологические молекулы. Этот процесс протекает гораздо быстрее для СО2, содержащего легкий изотоп углерода, что приводит к дрейфу изотопного состава в сторону более тяжелого варианта. С другой стороны, тромбоциты, растущие в везикулах кокколита, предпочтительно включают более тяжелую форму углерода из пула субстрата.
Команда выбрала ряд видов кокколитофорид, как легких, так и тяжелых, и вырастила их в лаборатории - «это не так уж сильно отличается от садоводства, - сказал Макклелланд», - а затем построила математическую модель клетки, которая могла предсказать изотопные результаты для всех видов, для которых были доступны данные.
Они смогли показать, что отношение кальцификации к фотосинтезу определяет, являются ли тромбоциты изотопно тяжелее или легче, чем абиогенный карбонат кальция. Они смогли объяснить размер отхода и его направление.
Для Макклелланда самая захватывающая часть исследования заключается в том, что оно открывает окно в биологию древних существ. По его словам, когда люди используют фораминифер в качестве косвенного показателя климата, они обычно выбирают один вид и предполагают постоянный биологический эффект или компенсацию. Но мы можем видеть влияние различной биологии в химических сигнатурах кокколитофоридов.
После проведения дополнительных исследований, по словам Макклелланда, изотопные отношения кокколита могут быть преобразованы в палеобарометр, который поможет нам понять чувствительность климатической системы к атмосферному углекислому газу.
Наша модель позволяет ученым понять сигналы водорослей прошлого, как никогда раньше. Она раскрывает потенциал окаменелых кокколитофоридов, чтобы стать рутинным инструментом, используемым при изучении физиологии древних водорослей, а также, в конечном счете, в качестве регистратора прошлого CO2 уровне», - говорит старший автор Розалинд Рикаби, профессор биогеохимии в Оксфорде.