Цивилизация
Пищевые цепи океана – ряды организмов, связанные отношениями пища-потребитель, гораздо длиннее и сложнее пищевых цепей на суше из-за большого разнообразия обитателей водной среды и практически полного отсутствия границ между ними. Однако все потребители – и зоопланктон, и рыбы, и хищные рыбы, и хищные рыбы, поедающие хищных рыб, являются потребителями органических веществ, выработанных при фотосинтезе простейшими растениями – микроскопическими водорослями. Несмотря на весьма скромные размеры, фитопланктон ответственен за пятую часть всего земного процесса фотосинтеза, то есть поглощает 20% всего потребляемого флорой планеты углекислого газа. Поэтому его изучение важно для понимания закономерностей функционирования всей биологической системы.
Однако уже более 30 лет исследователи океана не могли понять одной из базовых установок жизни водорослей: как им удается жить на средних глубинах, где вода бедна не только кислородом, но и нитратами, которые служат его заменителем.
Трем исследователям из Калифорнии, Сиэтла и Гонолулу удалось разгадать загадку дыхания водорослей. Их работу публикует Nature.
Оказалось, что фитопланктон поглощает нитраты из глубинных вод – до 250 м от поверхности.
Ученые выбрали для своих исследований участок океана вокруг Гавайев – чистые голубые заливы, привлекающие туристов со всего мира. Не менее привлекательны они и для океанологов: поверхностные и приповерхностные воды здесь очень бедны нитратами и фосфатами, являющимися незаменимыми «продуктами питания» для микроскопических водорослей. Несмотря на такую «голодную» среду, фитопланктон в гавайских водах процветает.
Чтобы разобраться в механизме питания водорослей, химик-океанолог Кеннет Джонсон и его коллеги использовали специализированный автоматический «невод» Apex, способный самостоятельно перемещаться от поверхности моря на глубину до 1000 метров и назад, отбирая пробы воды на всем пути следования. Дополнительно зонд был оснащен кислородным сенсором и УФ-спектрометром, измеряющим концентрацию нитратов в воде in situ.
В декабре 2007 года зонд был установлен в водах Тихого океана к северо-востоку от острова Оаху. В течение двух лет каждые пять дней он записывал химический «профиль» воды.
С января по октябрь каждого года приборы регистрировали постепенный рост содержания кислорода на глубине до 100 м. В то же время наблюдался и постепенный спад концентрации нитратов на больших глубинах — от 100 до 250 м.
Количество кислорода, произведенного у поверхности воды фотосинтезирующими водорослями, оказалось прямо пропорциональной убыли нитрата в глубинных слоях.
По величине уменьшения концентрации нитратов на средних глубинах исследователи рассчитали возможный прирост «населения» водорослей за год. Их оценки оказались близки к данным, полученным гавайскими океанологами, организовавшими научные рейсы для расчета темпов роста фитопланктона.
Однако на глубинах более 100 м, где наблюдалась убыль концентрации нитратов, солнечного света явно недостаточно для фотосинтезирующих водорослей, жить там они не могут. Океанологи заключили, что
фитопланктон способен каким-то образом получать «кислородную пищу» с больших глубин и использовать ее для роста и репродукции в верхних слоях гидросферы.
Точный механизм этого процесса неизвестен, однако ученые предложили несколько возможных вариантов. Один из них – формирование водоворотов. Исследования показали, что медленные вихревые водовороты время от времени возникают в сотнях метрах от поверхности океана. Некоторые из них способны поднимать воду, богатую нитратами, на высоту до 70 м от поверхности воды. Однако они не достигают глубины в 50 м, на которой обитает большая часть фитопланктона.
Другое предположение: «дремлющие» микроводоросли живут на глубинах более 100 м. Водовороты поднимают их до глубины 70 м. В этой точке они поглощают нитраты и затем поднимаются выше к солнечному свету для фотосинтеза.
Проверка этой гипотезы – отдельная сложная научная задача. Известно, что некоторые микроводоросли могут «плавать», используя мельчайшие жгутики. Другие способны резко изменять плавучесть и, как зонд Apex, погружаться в глубину или всплывать на поверхность. В ближайшие год или два авторский коллектив работы планирует собрать большое количество данных для разрешения загадки. Несколько зондов будут установлены у побережья Гавайев, около Бермудских островов в Атлантическом океане, а также на севере Тихого океана и в Южном океане, где, как считается, содержание нитратов в воде выше и фитопланктон обитает ближе к поверхности, чем в теплых водах.