Океан — крупнейший резервуар углерода на Земле, который удерживает его вдали от атмосферы. Однако учёные до сих пор пытаются точно измерить и отследить, сколько углерода хранится в океане. Это затрудняет моделирование и реагирование на изменение климата.
Исследователи из Института морских наук Монтерей-Бей, Университета Род-Айленда, Университета штата Мэн и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре провели всесторонний анализ экологических механизмов, которые управляют транспортировкой углерода в глубоководные слои океана. Это стало значительным шагом вперёд в мониторинге связи между океаном и климатом.
Команда учёных секвенировала ДНК 800 отдельных частиц морского снега и выявила две группы планктона, которые можно использовать для прогнозирования величины переноса углерода из атмосферы в глубоководные слои океана. Это новаторская работа закладывает основу для улучшения спутниковых моделей экспорта углерода в океане.
Океан как супермагистраль для углерода
Океан поглощает углекислый газ на поверхности, а морские организмы преобразуют его и транспортируют в более глубокие воды в виде опускающегося органического материала. Морской снег — смесь мёртвого планктона, отходов, слизи и других органических материалов, медленно опускающихся с поверхности океана — является важной частью углеродного цикла океана.
Однако опускающиеся частицы органического материала трудно наблюдать, а вспышки морского снега сложно предсказать.
Захоронение углерода в глубинах океана
Захоронение углерода в глубинах океана остаётся одной из наиболее неопределённых частей глобального углеродного цикла. Из-за неполного понимания экспорта углерода с поверхности через средние слои океана мы не можем точно количественно оценить углеродный цикл океана, его изменения и воздействие на экосистемы океана.
Команда Института морских наук Монтерей-Бей под руководством учёного Коллин Дёркин изучает микроскопические биологические взаимодействия, которые контролируют экспорт углерода в океане. Основное внимание уделяется сложным частицам, опускающимся по всему океану, и разнообразным сообществам организмов, которые производят, преобразуют и питаются этими частицами по мере их спуска с поверхности в глубоководные слои океана.
«Океан и его обитатели экспортируют углерод в огромных масштабах, и всё это движимо крошечным фитопланктоном. Микроскопические процессы имеют глобальное значение», — объясняет Дёркин. «Сместив фокус на отдельные частицы, исследуя биологию и экологию отдельных групп фитопланктона, мы обнаружили удивительные связи, которые могут изменить подходы к измерению и мониторингу экспорта углерода в океане».
Программа EXPORTS
Программа EXPORTS — это крупномасштабная межведомственная инициатива, возглавляемая NASA. Она объединяет различные дисциплины и перспективы, включая оптику океана, дистанционное зондирование и молекулярную биологию, для развёртывания разнообразных современных технологий, чтобы понять транспорт углерода с поверхности океана в глубоководные слои.
Креймер и Дёркин приняли участие в полевых кампаниях EXPORTS в Северной Атлантике и северной части Тихого океана. Вместе с командой исследователей из Института морских наук Монтерей-Бей, Университета Род-Айленда, Университета штата Мэн и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре они тщательно отсортировали отдельные опускающиеся частицы, собранные с помощью ловушек для осадков, развёрнутых на пяти глубинах от 100 до 500 метров.
Новаторский подход команды позволил им сравнить более мелкие детали того, как был упакован и транспортирован углерод, с информацией, содержащейся в объёмных частицах. Они исследовали последовательности гена 18S рРНК из фитопланктона, собранного в поверхностной морской воде, объёмно-фильтрованных частицах и 800 отдельных частицах морского снега. Эти генетические метки позволили исследователям обнаружить конкретные группы фитопланктона в поверхностном океане и проследить их транспортировку в более глубокие воды, где их углерод захоронен.
Новые возможности для спутниковых наблюдений
Выявленные в ходе исследования взаимосвязи расширяют возможности использования спутниковых наблюдений океана. Спутники — самый мощный инструмент для визуализации морских процессов в глобальном масштабе. Новые спутники для наблюдения за цветом океана, такие как миссия NASA PACE (Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem), предоставляют свежий взгляд на океан из космоса.
Учёные теперь могут искать скопления диатомовых водорослей и Hacrobia для разработки более совершенных моделей, которые оценивают экспорт углерода в глубины океана в глобальном масштабе. Поскольку обе идентифицированные здесь ключевые группы фитопланктона можно надёжно обнаружить с помощью секвенирования ДНК и спутниковых наблюдений, взаимосвязь с экспортом углерода можно проверить в других регионах и экосистемах.
«Для борьбы с климатическим кризисом потребуются серьёзные прорывы в нашей способности отслеживать экосистему океана. Мы должны найти новые способы наблюдения за процессами, происходящими в микроскопическом масштабе, и интегрировать эту перспективу с климатическими факторами, происходящими в глобальном масштабе», — сказала Дёркин.
«Эта работа демонстрирует ценность перевода научных дисциплин и физических масштабов. Определив крошечных микробов внутри частиц морского снега, мы можем предложить стратегическое использование наших глобальных технологий наблюдения, которые могут улучшить мониторинг углеродного цикла в океане».