Каждый раз, когда вы делаете вдох, задумайтесь: фотосинтез водорослей, питаемых железом в океане, сделал это возможным.
Новое исследование Университета Рутгерса проливает свет на этот жизненно важный процесс.
Железо — критически важный микроэлемент для морского фитопланктона, микроскопических водорослей, которые составляют основу пищевых цепей океана. Оно попадает в мировой океан с пылью из пустынь и засушливых районов, а также из талой воды ледников.
«Каждый второй вдох, который вы делаете, включает кислород из океана, высвобождаемый фитопланктоном», — сказал Пол Г. Фальковский, заведующий кафедрой бизнеса и природных ресурсов Университета Рутгерса в Нью-Брансуике и соавтор исследования. «Наше исследование показывает, что железо является ограничивающим фактором способности фитопланктона вырабатывать кислород в обширных регионах океана».
Когда железо отсутствует или его количество снижено, фотосинтез — процесс превращения световой энергии в химическую с выделением кислорода в качестве побочного продукта — замедляется или прекращается. Это ограничивает рост этих организмов и влияет на то, насколько эффективно они улавливают солнечный свет и удаляют углекислый газ из атмосферы.
Данные свидетельствуют о том, что изменение климата изменяет характер циркуляции океана и снижает поступление железа, сказал Фальковский. Хотя люди всё ещё могут дышать без проблем — снижение уровня железа в мировом океане не приведёт к тому, что люди задохнутся — эта тенденция может оказать значительное влияние на морскую жизнь, сказал он.
«Фитопланктон является основным источником пищи для криля, микроскопических креветок, которые являются основным источником пищи в Южном океане практически для всех животных, включая пингвинов, тюленей, моржей и китов», — сказал Фальковский. «Когда уровень железа падает, а количество пищи, доступной для этих животных верхнего уровня, снижается, результатом будет сокращение численности этих величественных существ».
Исследователи давно подозревали, что железо имеет решающее значение для фотосинтеза, но мало что известно о том, как этот процесс нарушается в природе. Большинство предыдущих исследований проводилось только в лаборатории.
Чтобы восполнить этот пробел, Хешани Пупулаватте, аспирантка кафедры химии и химической биологии, работающая в лаборатории Фальковского и являющаяся ведущим автором исследования, провела 37 дней в 2023 и 2024 годах на борту британского исследовательского судна, проходившего через Южную Атлантику и Южный океан, охватывая трансект от побережья Южной Африки до маргинальной ледяной зоны круговорота Уэдделла и обратно.
Используя специальные флуорометры, изготовленные Максом Горбуновым из лаборатории Фальковского в кампусе Кука в Нью-Брансуике, Пупулаватте тестировала образцы на флуоресценцию — меру энергии, повторно выделяемой фитопланктоном, когда процесс фотосинтеза нарушается. Затем она добавляла питательные вещества в образцы, собранные вдоль маршрута, чтобы определить, может ли это перезапустить процесс фотосинтеза.
«Мы хотели узнать, что на самом деле происходит с процессом передачи энергии на молекулярном уровне фитопланктона в естественных условиях», — сказала она.
Она обнаружила, что ограничение железа приводит к тому, что до 25% светособирающих белков становятся «разъединёнными» с центрами производства энергии, что фактически снижает преобразование энергии. Когда железо восполняется, фитопланктон восстанавливает свои внутренние светособирающие системы, повышая свою эффективность и потенциал роста.
«Мы продемонстрировали результаты воздействия железного стресса на фитопланктон в океане, даже не возвращая образцы в лабораторию для проведения молекулярных экстракций с использованием измерений флуоресценции, проведённых в море», — сказала она. «Поступая таким образом, мы смогли показать, что гораздо больше энергии тратится впустую в виде флуоресценции, когда железа не хватает».
Понимание того, как железо влияет на фотосинтез на молекулярном уровне, может помочь учёным прогнозировать будущую продуктивность океана и глобальные углеродные циклы, добавила она.
Предоставлено Университетом Рутгерса.