Около 14 000 лет назад цветение водорослей в Южном океане помогло значительно снизить содержание углекислого газа в атмосфере — это стало известно благодаря новому анализу древней ДНК, опубликованному группой учёных из Института Альфреда Вегенера (AWI) в журнале Nature Geoscience. В океане вокруг антарктического континента эти цветения водорослей оказали значительное влияние на глобальную динамику углерода. Нынешнее и ожидаемое будущее сокращение морского льда в этом регионе теперь представляет серьёзную угрозу для этих водорослей, что может иметь глобальные последствия.
В конце последнего ледникового периода потепление в Южном полушарии временно замедлилось в фазе, известной как антарктическое похолодание (ACR). Исследование показывает, что особые климатические условия этого периода — в частности, обширный покров морского льда зимой, за которым следовало сильное сезонное таяние весной, — способствовали массовому цветению водорослей рода Phaeocystis в Южном океане. Эти цветения поглощали большое количество углекислого газа, заметно замедляя рост содержания этого вредного для климата газа в атмосфере.
Команда исследователей из AWI смогла впервые доказать эту связь, изучив так называемую осадочную древнюю ДНК (sedaDNA) — генетический материал, который сохранялся в морском дне на протяжении тысячелетий. Это связано с тем, что Phaeocystis не оставляет классических микрофоссилий и поэтому оставалась невидимой в предыдущих климатических архивах. До сих пор обнаружить её присутствие с помощью классических геохимических методов не удавалось.
При проведении исследования команда AWI изучила осадочный керн с глубины почти 2 000 метров в проливе Брансфилд к северу от Антарктического полуострова. Керн содержит sedaDNA за последние 14 000 лет. Исследователи извлекли её из осадочных керна, чтобы изучить изменения в биологических сообществах с течением времени.
«Наше исследование показывает, что эти цветения водорослей способствовали значительному снижению уровня углекислого газа в атмосфере во время климатически важной переходной фазы, характеризующейся высокой степенью распространения морского льда», — объясняет Йозефин Фридерике Вайсс из AWI, ведущий автор исследования.
Это связано с тем, что в осадочном керне обнаружено высокое соотношение бария (Ba) к железу (Fe) для этой фазы — соотношение, считающееся индикатором поступления и отложения органического углерода, поскольку оно связано с биологической продуктивностью в поверхностных водах.
«Чем дальше морской лёд распространяется зимой, тем больше площадь, где богатая питательными веществами талая вода попадает в поверхностные слои моря весной — и, следовательно, зона, где водоросли Phaeocystis находят идеальные условия для роста. В результате большее распространение морского льда приводит напрямую к увеличению площади с высокой продуктивностью водорослей», — добавляет Фридерике Вайсс.
Такие биологические процессы в океане тесно связаны с глобальными климатическими событиями — даже если они остаются невидимыми для человеческого глаза. Кроме того, крупномасштабные цветения Phaeocystis повлияли на пищевые сети и распределение питательных веществ в Южном океане, запустив сложную цепную реакцию: от изменений в составе планктона и сдвигов в биогеохимических циклах до увеличения переноса углерода в глубины — они влияли на экологический баланс и углеродный цикл в течение длительных периодов времени.
Сегодня Phaeocystis особенно подвержена опасности в Антарктиде, учитывая, что долгосрочная тенденция к сокращению морского льда и, в частности, недавнее резкое сокращение в Южном океане существенно меняет условия её существования. Потеря этих важных цветений водорослей может дестабилизировать местные экосистемы.
Хотя другие виды водорослей, такие как диатомовые, могли бы извлечь выгоду из условий отсутствия льда, структура пищевой сети изменилась бы коренным образом. Более того, Phaeocystis особенно эффективно переносит углерод в глубины моря. Поэтому сокращение её цветений может означать, что в океане в целом будет храниться меньше углерода, что может усугубить изменение климата в долгосрочной перспективе.
Кроме того, Phaeocystis производит диметилсульфид (DMS), газ, который способствует образованию облаков, увеличивая отражение солнечного света. Следовательно, потеря цветений водорослей также может негативно сказаться на образовании облаков и, следовательно, на регулировании климата, что, в свою очередь, приведёт к дополнительному усиливающему воздействию на климат.
С одной стороны, исследование учёных из AWI даёт новое представление о роли Южного океана и его микроорганизмов в глобальных климатических событиях прошлого, которые не могли быть обнаружены ранее с помощью традиционных методов в осадочных архивах. С другой стороны, оно впервые показывает, что предыдущие методы геологических исследований в сочетании с осадочной древней ДНК позволили создать более реалистичную реконструкцию прошлых экосистем и наше понимание более ранних колебаний углекислого газа. Это проложит путь к более дифференцированным оценкам будущих изменений в климатической системе.
Анализ этих геологических процессов подчёркивает решающую роль, которую биологические процессы играют в регулировании климата. Этот вывод подчёркивает важность уделения большего внимания морским экосистемам в текущих климатических исследованиях и в будущих прогнозах.
Что касается дальнейших исследований, это означает, что сочетание анализа ДНК и геологических методов должно быть усовершенствовано, чтобы получить и обрисовать ещё более точную картину прошлых климатических изменений. Кроме того, отдельные значимые организмы, такие как Phaeocystis, должны быть изучены более подробно, чтобы лучше понять их влияние на углеродный цикл и климат. Это не только приведёт к более точным прогнозам климата, но и позволит выявлять потенциальные глубокие экологические изменения в океане на раннем этапе и соответствующим образом оценивать их воздействие.