Фосфор в Атлантическом океане провоцирует массовое размножение саргассума

Фото из открытых источников

Каждое лето идиллический пейзаж мексиканского побережья Карибского моря нарушается коричневым, вонючим приливом. Пляжи с бирюзовой водой, такие как пляжи этого всемирно известного туристического курорта, просыпаются покрытыми толстым слоем водорослей, которые быстро разлагаются под тропическим солнцем. Необходимость механического удаления этих скоплений саргассовых водорослей для обеспечения доступа купающихся стала для местных властей постоянной и дорогостоящей задачей, характерной для всего Карибского региона.

Вопрос, который озадачивал научное сообщество более десятилетия, заключается в том, какая сила движет этими массовыми и повторяющимися разрастаниями. Ответ, согласно новаторскому исследованию Института химии Общества Макса Планка, кроется не только в загрязнении с суши, но и в сложном естественном океаническом механизме, усиленном особыми климатическими условиями, — механизме, зафиксированном в скелетах кораллов.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, опровергает предыдущие гипотезы, связывавшие чрезмерный рост бурых водорослей главным образом с питательными веществами, поступающими из сельскохозяйственных стоков или вырубкой лесов. Хотя эти факторы могут оказывать локальное влияние, они не объясняют масштабы и сроки увеличения биомассы, наблюдаемого в океаническом масштабе с 2011 года, когда был впервые задокументирован так называемый Большой атлантический саргассовый пояс.

Этот пояс — обширный участок плавучей растительности размером с континент — ежегодно дрейфует от экватора к Карибскому морю и Мексиканскому заливу, переносимый пассатами. К началу июня этого года к этим берегам было привезено около 38 миллионов тонн этих водорослей, что стало отрицательным рекордом.

Международное исследование, проведённое в Майнце (Германия), выявило симбиотические отношения между саргассумом и определёнными бактериями как основу этого процесса. В обширных пространствах тропической Атлантики, регионе, известном своей бедностью растворённым азотом, доступность этого питательного вещества является ограничивающим фактором для жизни. Именно здесь в игру вступают цианобактерии — микроорганизмы, способные фиксировать атмосферный азот (N₂) и преобразовывать его в химически доступную для других организмов форму. Эти цианобактерии колонизируют саргассовые водоросли, создавая симбиоз, в котором водоросли обеспечивают среду обитания, а бактерии — источник драгоценного азота.

Когда эти богатые питательными веществами воды перемещаются на север, в сторону Карибского моря, они вызывают взрывную активность цианобактерий, связанных с саргассумом. Внезапное обилие фосфора позволяет им фиксировать азот ускоренными темпами, обеспечивая тем самым водоросль-хозяина практически неограниченным источником удобрений. Это конкурентное преимущество объясняет способность саргассума к массовому размножению, вытесняя другие организмы в борьбе за ресурсы.

Доказательства, подтверждающие эту теорию, получены не из недавних прямых наблюдений, а из природных архивов, запечатлевших химическую историю океана: кораллов. Подобно тому, как годичные кольца деревьев отражают годовые климатические условия, слои роста кораллов включают в свои скелеты из карбоната кальция химические характеристики морской воды, в которой они обитали. Исследователи извлекли коралловые керны из различных районов Карибского бассейна, что позволило им заглянуть на 120 лет назад.

Анализ был сосредоточен на изотопном составе азота, содержащегося в скелетах кораллов. Процесс азотфиксации, осуществляемый цианобактериями, изменяет естественное соотношение стабильных изотопов азота 15N и 14N в морской воде, значительно снижая соотношение 15N/14N. Таким образом, слои кораллов с низкими значениями 15N соответствуют периодам высокой азотфиксации. Для калибровки своих измерений группа использовала образцы морской воды, собранные исследовательским судном Eugen Seibold, что подтвердило, что изотопный состав современных кораллов точно отражает современную скорость азотфиксации.

«В первой серии измерений мы обнаружили два значительных повышения азотфиксации в 2015 и 2018 годах — два года рекордного размножения саргассума. Затем мы сравнили нашу реконструкцию кораллов с данными по годовой биомассе саргассума, и оба ряда данных полностью совпали. Однако на тот момент было совершенно неясно, существует ли между ними причинно-следственная связь», - описывает момент открытия соавтор исследования Джонатан Юнг из Института химии Общества Макса Планка.

Связь стала очевидной при анализе всего временного ряда. Не только пиковые значения, но и весь набор данных, включая минимальные, демонстрировали практически идеальную связь, начиная с 2011 года. Эта дата имеет решающее значение, поскольку совпадает с первым случаем, когда сильные ветры вытеснили большие массы саргассума из Саргассова моря в тропическую часть Атлантики, установив новую схему распространения.

Команда исключила другие гипотезы с помощью корреляционного анализа. Теория, предполагающая, что сахарская пыль, богатая железом, удобряла водоросли, не подтвердилась, поскольку поступление этой пыли не коррелировало с данными о биомассе. Также не было выявлено причинно-следственной связи между поступлением питательных веществ из крупных рек, таких как Амазонка или Ориноко, и масштабным размножением. Таким образом, ключевым фактором стал избыток фосфора из океанских глубин.

Поступление фосфора неразрывно связано с климатическими изменениями. Аномалии температуры поверхности моря – более прохладная тропическая Северная Атлантика и более тёплая Южная Атлантика – приводят к изменениям атмосферного давления. Это, в свою очередь, вызывает аномальные ветры, которые смещают поверхностные воды, позволяя глубинным, богатым питательными веществами водам подниматься в фотическую зону, где процветает саргассум.

По словам Альфредо Мартинеса-Гарсии, руководителя группы в Институте химии Общества Макса Планка и ведущего автора исследования, понимание этого механизма позволяет улучшить прогнозирование. В конечном счёте, будущее саргассовых водорослей в тропической Атлантике будет зависеть от того, как глобальное потепление повлияет на процессы, приводящие к избыточному поступлению фосфора в экваториальную часть Атлантики, утверждает он. Систематический мониторинг ветров, температуры морской воды и связанных с этим изменений в экваториальном апвеллинге может стать основой надёжной системы раннего оповещения.

Теперь его команда планирует усовершенствовать эту модель, проанализировав новые коралловые керны из разных мест Карибского моря, и рассчитывает, что эти результаты помогут в работе по смягчению воздействия разрастания на хрупкие рифовые экосистемы и на прибрежные общины, экономика и образ жизни которых каждое лето все больше подвергаются угрозе со стороны коричневого прилива.