Исторически сложилось так, что океаны сделали большую часть тяжелой работы планеты, когда дело доходит до связывания углекислого газа из атмосферы. Микроскопические организмы, известные под общим названием фитопланктон, которые растут на освещенной солнцем поверхности океана и поглощают углекислый газ посредством фотосинтеза, играют ключевую роль.
Чтобы остановить рост выбросов углекислого газа, образующихся при сжигании ископаемого топлива, некоторые ученые предложили засеять океаны железом - важным компонентом, который может стимулировать рост фитопланктона. Такое «удобрение железом» могло бы культивировать огромные новые поля фитопланктона, особенно в районах, обычно лишенных морской жизни.
Новое исследование Массачусетского технологического института предполагает, что удобрение железом может не оказывать существенного влияния на рост фитопланктона, по крайней мере, в глобальном масштабе.
Исследователи изучили взаимодействие между фитопланктоном, железом и другими питательными веществами в океане, которые способствуют росту фитопланктона. Их моделирование предполагает, что в глобальном масштабе морская жизнь настроила химический состав океана посредством этих взаимодействий, развиваясь для поддержания уровня железа в океане, который поддерживает хрупкий баланс питательных веществ в различных регионах мира.
«Согласно нашей концепции, удобрение железом не может оказать значительного общего влияния на количество углерода в океане, потому что общее количество железа, в котором нуждаются микробы, уже достаточно», - говорит ведущий автор исследования Джонатан Лодердейл. научный сотрудник отдела наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института.
Соавторы статьи: Роджер Браакман, Гаэль Форгет, Стефани Дуткевич и Мик Фоллоуз из Массачусетского технологического института.
Лигандный суп
Железо, от которого зависит рост фитопланктона, поступает в основном из пыли, которая проносится над континентами и в конечном итоге оседает в океанских водах. В то время как огромное количество железа может быть отложено таким образом, большая часть этого железа быстро опускается, неиспользованная, на морское дно.
"Фундаментальная проблема заключается в том, что морским микробам для роста требуется железо, но железо никуда не девается. Его концентрация в океане настолько ничтожна, что это ценный ресурс", - говорит Лодердейл.
Следовательно, ученые выдвинули оплодотворение железом как способ ввести больше железа в систему. Но доступность железа для фитопланктона намного выше, если оно связано с определенными органическими соединениями, которые удерживают железо на поверхности океана и сами производятся фитопланктоном. Эти соединения, известные как лиганды, составляют то, что Лодердейл описывает как «суп из ингредиентов», которые обычно происходят из органических отходов, мертвых клеток или сидерофоров - молекул, которые микробы развили для специфического связывания с железом.
Не так много известно об этих улавливающих железо лигандах в масштабе экосистемы, и команда задалась вопросом, какую роль играют молекулы в регулировании способности океана способствовать росту фитопланктона и, в конечном итоге, поглощать углекислый газ.
«Люди поняли, как лиганды связывают железо, но не поняли, каковы новые свойства такой системы в глобальном масштабе и что это означает для биосферы в целом», - говорит Браакман. «Это то, что мы пытались здесь смоделировать».
Железная сладость
Исследователи намеревались охарактеризовать взаимодействия между железом, лигандами и макроэлементами, такими как азот и фосфат, и то, как эти взаимодействия влияют на глобальную популяцию фитопланктона и, одновременно, на способность океана удерживать углекислый газ.
Команда разработала простую трехблочную модель, каждая из которых представляет собой общую среду океана с определенным балансом железа и макронутриентов. В первой ячейке представлены отдаленные воды, такие как Южный океан, которые обычно имеют приличную концентрацию макроэлементов, поступающих из глубин океана. Они также имеют низкое содержание железа, учитывая их большую удаленность от любого континентального источника пыли.
Вторая ячейка представляет Северную Атлантику и другие воды, которые имеют противоположный баланс: высокое содержание железа из-за близости к пыльным континентам и низкое содержание макроэлементов. Третий блок - это глубинный океан, который является богатым источником макроэлементов, таких как фосфаты и нитраты.
Исследователи смоделировали общую схему циркуляции между тремя прямоугольниками, чтобы представить глобальные течения, соединяющие все океаны мира: циркуляция начинается в Северной Атлантике и погружается в глубины океана, затем поднимается в Южный океан и возвращается обратно в Северную Атлантику.
Команда установила относительные концентрации железа и макроэлементов в каждом ящике, а затем запустила модель, чтобы увидеть, как развивался рост фитопланктона в каждом ящике на протяжении 10 000 лет. Они провели 10 000 симуляций, каждая из которых использовала разные свойства лиганда.
В ходе моделирования исследователи выявили важную петлю положительной обратной связи между лигандами и железом. В океанах с более высокими концентрациями лигандов также были более высокие концентрации железа, доступного для роста фитопланктона и производства большего количества лигандов. Когда у микробов более чем достаточно железа, они потребляют столько же других необходимых им питательных веществ, как азот и фосфат, пока эти питательные вещества не будут полностью истощены.
Обратное верно для океанов с низкой концентрацией лигандов: в них меньше железа, доступного для роста фитопланктона, и, следовательно, в целом очень низкая биологическая активность, что приводит к меньшему потреблению макронутриентов.
Исследователи также наблюдали в своих симуляциях узкий диапазон концентраций лиганда, который приводил к наилучшему результату, где было ровно столько лиганда, чтобы сделать достаточное количество железа доступным для роста фитопланктона, в то же время оставляя только правильный количество макронутриентов, оставшееся для поддержания совершенно нового цикла роста во всех трех океанских ячейках.
Когда они сравнили свои симуляции с измерениями концентраций питательных веществ, железа и лигандов, проведенными в реальном мире, они обнаружили, что смоделированный диапазон наилучшего результата оказался наиболее близким. То есть мировые океаны, по-видимому, содержат достаточное количество лигандов и, следовательно, железа, доступных для максимального роста фитопланктона и оптимального потребления макронутриентов при самоусиливающемся и самоподдерживающемся балансе ресурсов.
Если бы ученые широко удобряли Южный океан или любые другие бедные железом воды железом, эти усилия временно стимулировали бы рост фитопланктона и поглощали все макроэлементы, доступные в этом регионе. Но в конечном итоге не останется макроэлементов, которые могли бы циркулировать в других регионах, таких как Северная Атлантика, которая зависит от этих макроэлементов, наряду с железом из отложений пыли, для роста фитопланктона. Конечным результатом будет возможное уменьшение фитопланктона в Северной Атлантике и отсутствие значительного увеличения поглощения углекислого газа в глобальном масштабе.
Лодердейл указывает, что обогащение Южного океана железом может иметь и другие непреднамеренные последствия.
«Мы должны рассматривать весь океан как эту взаимосвязанную систему», - говорит Лодердейл, добавляя, что, если фитопланктон в Северной Атлантике резко упадет, то же самое произойдет и со всей морской жизнью в пищевой цепи, зависящей от микроскопические организмы.
«Приблизительно 75 процентов добычи к северу от Южного океана обеспечивается питательными веществами из Южного океана, а северные океаны - это место, где сосредоточено больше всего рыболовства и где происходят многие экосистемные выгоды для людей», - говорит Лодердейл. «Прежде чем мы сбрасываем в Южный океан огромное количество железа и поглощаем питательные вещества, мы должны рассмотреть непредвиденные последствия ниже по течению, которые могут значительно ухудшить экологическую ситуацию».