Сокрушительное давление океана изменяет способы перемещения углерода ко дну

Фото из открытых источников

Было доказано, что тонущие скопления мертвых морских организмов теряют до половины своего углерода и более половины азота под воздействием сокрушительного давления глубоководных районов. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Этот вызванный давлением выброс веществ выявляет ранее неизвестный источник пищи для глубоководных микробов и меняет подход ученых к учету углерода, который не достигает дна океана.

На глубине нескольких километров падающие обломки материалов дрейфуют под сокрушительным давлением воды, которое неуклонно возрастает с глубиной. 

Работая в резервуарах с регулируемым давлением, воспроизводящих эти условия, Петер Штиф из Университета Южной Дании (SDU) задокументировал перемещение растворенного углерода и азота из частиц в окружающую морскую воду. 

По мере усиления давления до уровней, наблюдаемых на глубине от двух до четырех миль, потери углерода в частицах приблизились к 50%, а азота достигали 63%. 

Подобная масштабная утечка изменяет то, что в конечном итоге достигает морского дна, и поднимает вопрос о необходимости пересмотра понимания переноса углерода в глубоководных районах океана.

Океанографы называют эти опускающиеся комки морским снегом — рыхлые хлопья, состоящие из мертвых организмов и липких органических остатков.

Частицы, отслаивающиеся от поверхности, слипаются, а затем под действием гравитации тянут их вниз, унося углерод из солнечного света в темноту.

В глубине океана множество микробов свободно плавают, поэтому до них могут добраться только растворенные питательные вещества, которые вырываются из скоплений.

На протяжении десятилетий считалось, что глубокие слои океана бедны питательными веществами, поэтому утечки, вызванные падающим снегом, могут изменить представление ученых о рационе питания глубоководных организмов.

С увеличением глубины гидростатическое давление возрастает. Это давление возникает из-за огромного веса вышележащей воды, сдавливающей клетки со всех сторон. Вероятно, повышение давления ослабило мембраны водорослей внутри каждой скопления, позволив внутренним молекулам просачиваться в окружающую морскую воду.

Такое осушение изменяет саму частицу, оставляя меньше материала для глубоководных падальщиков и одновременно увеличивая количество пищи в близлежащих водах.

После высвобождения эти соединения растворялись в окружающей глубоководной среде в виде растворенного органического вещества — богатых углеродом молекул, которые микроорганизмы легко усваивают. Микробы подхватили это легкодоступное топливо, а затем, используя кислород, расщепили его и высвободили энергию для роста.

В течение двух дней количество бактерий в морской воде, загрязненной утечкой, увеличилось примерно в 30 раз, а потребление кислорода возросло. Такое быстрое питание позволяет предположить, что глубоководные микробы могут быстро наращивать активность, когда свежие белки и углеводы попадают к ним в виде растворенной пищи.

Меньшее количество твердого материала, достигающего морского дна, означает, что меньше углерода задерживается в осадочных породах в течение геологического времени.

Вместо этого просочившийся углерод остается растворенным в глубоких слоях воды, где медленное перемешивание может удерживать его в течение сотен и тысяч лет.

Захоронение в осадочных породах длится миллионы лет, и именно этот длительный процесс сжатия и нагревания породил большую часть современной нефти и газа.

«Это важно для понимания климатических процессов и для совершенствования будущих моделей», — сказал Штиф.

Осаждающиеся частицы помогают океану перемещать углерод из воздуха, а недавний анализ показал, что фактор давления был упущен из виду. На таких глубинах перемешивание воды происходит медленно, поэтому просочившийся углерод остается вне контакта с атмосферой более 500 лет.

Выпас зоопланктона и микроорганизмы, обитающие на частицах, по-прежнему удаляют значительную часть углерода, поэтому утечка, вызванная давлением, может быть не доминирующей.

Быстро опускающиеся на дно цветения планктона, вероятно, создают предпосылки для этого, поэтому размер и время всплесков планктона на поверхности имеют значение для глубоководных районов.

Для получения однородных частиц команда вырастила диатомовые водоросли — крошечные водоросли со стекловидными оболочками, — а затем дала им слипнуться.

У нескольких видов животных давление вызывало утечку одинакового типа, хотя утечка начиналась в разных местах.

Таким образом, состав микробного сообщества вблизи поверхности может влиять на то, сколько углерода превращается в растворенную пищу во время резкого падения уровня воды.

Другие группы планктона могут реагировать иначе, поэтому ученым еще предстоит проверить, происходит ли утечка частиц, не относящихся к диатомовым водорослям, таким же образом.

Далее следует отбор проб в полевых условиях, поскольку лабораторные резервуары не могут зафиксировать штормы, животных, питающихся растительностью, и другие факторы, влияющие на структуру частиц в море.

В образцах, взятых из глубоких слоев воды, могут наблюдаться специфические химические закономерности, проявляющиеся в увеличении количества растворенных сахаров и белков по сравнению с поверхностными водами.

В конце этого года группа SDU надеется принять участие в арктической экспедиции на немецком исследовательском судне Polarstern.

Реальные профили океана покажут, происходит ли утечка, вызванная давлением, достаточно часто, чтобы изменить глубоководные пищевые цепи за пределами лабораторных условий.

Компьютерные модели обычно отслеживают оседающие частицы как твердые вещества, поэтому они могут упустить из виду растворенные частицы, которые служат пищей для микробов.

Добавление утечки, зависящей от давления, позволило бы перемещать часть углерода из частиц в глубинные слои воды раньше, изменяя тем самым распределение использования кислорода.

Эти корректировки также могут изменить оценки того, сколько углерода достигает осадочных пород, что влияет на то, когда он возвращается в атмосферу.

По-видимому, повышенное давление превращает падающие частицы в дополнительный источник пищи, позволяя глубоководным микробам размножаться, не дожидаясь остатков пищи на морском дне.

Подтверждение утечки в открытом океане будет иметь решающее значение, поскольку климатические модели зависят от того, где остается углерод и как долго он там находится.