Микроэлементы, такие как железо и цинк, которые накапливаются в глубоководных отложениях, долгое время считались безвозвратно потерянными для фитопланктона на поверхности океана. Это представление о цикле микроэлементов в морской воде было распространено среди геохимиков. Однако исследователи из ETH Zurich обнаружили, что это не так.
Океаны полны жизни
Океаны полны живых существ, в основе морской пищевой цепи лежат микроскопические водоросли (фитопланктон). Эти организмы живут так же, как и наземные растения, используя солнечный свет, проникающий в верхние 100 метров океана или около того, в качестве источника энергии, с помощью которого они синтезируют органические вещества для своих клеток.
Каждый год эти крошечные водоросли производят примерно столько же органического углерода, сколько и наземные растения. Как и наземные растения, они получают строительные блоки своих клеток из окружающей среды — не из почвы, а из раствора морской воды, в котором они живут.
Перераспределение микроэлементов
Но в отличие от наземной экосистемы, когда эти водоросли умирают, они опускаются в тёмный глубокий океан, где их мёртвые клетки разлагаются под действием бактерий. Поэтому элементы, необходимые им для роста, теряются из той части океана, в которой они живут, и возвращаются в раствор морской воды в глубоком океане.
Каким-то образом эти элементы должны быть возвращены из глубокого океана обратно на поверхность, чтобы весь цикл мог начаться снова. Элементы, необходимые этим организмам, такие же, как и на суше — углерод, азот и фосфор, элементы, которые вносятся на сельскохозяйственные угодья в удобрениях, а также множество металлов, необходимых для жизни, таких как железо, цинк и другие.
Фитопланктон важен для нашего климата, потому что углерод, который они удаляют с поверхности океана, выводится из контакта с атмосферой в глубокий океан, удерживая атмосферный углекислый газ на более низком уровне, чем он был бы в противном случае. В обсуждении стратегий смягчения текущего и будущего повышения уровня CO₂ одним из вариантов является значительное увеличение скорости, с которой океанические водоросли делают всё это.
Но на самом деле скорость, с которой они это делают, зависит от наличия в растворе морской воды «питательных» элементов — азота, фосфора и микроэлементов, которые очень редки в верхнем освещённом солнцем океане. Таким образом, то, как эти элементы удаляются из верхнего океана и возвращаются обратно, имеет решающее значение для понимания прошлого, текущего и будущего климата Земли.
В новой статье, опубликованной в Nature, исследователи из ETH Zurich под руководством геохимика Дерека Вэнса использовали индикаторы химического состава океана, чтобы обнаружить, что значительная часть многих металлов на самом деле быстро и безвозвратно удаляется из раствора морской воды не биологическим путём: путём включения в твёрдые частицы оксида марганца, которые выпадают из морской воды и падают через весь океан в осадок на дне.
Но они также обнаружили, что металлы возвращаются в глубочайшие слои морской воды в результате химических реакций, которые происходят в осадке и высвобождают металлы из твёрдого оксида марганца обратно в раствор. Наконец, была использована численная модель физики переноса в океане, чтобы показать, что металлы, высвобождаемые в раствор внутри осадка и просачивающиеся через границу между осадком и глубоким океаном, перемешиваются обратно через океан.
«Наше исследование меняет представление о химии океана и её влиянии на биологию океана и климат», — говорит Вэнс.
Впервые показано, что утечка материала, который ранее считался безвозвратно потерянным из океанов в твёрдый осадок на дне, имеет решающее значение для понимания раствора морской воды и многих элементов, которые он содержит, и того, как от этого зависит биология океана.