Крошечные раковины делят Атлантический океан, меняя круговорот углерода на Земле

Фото из открытых источников

Океан вмещает в себя гораздо больше углеродных химических веществ Земли, чем большинство людей себе представляют, и большая часть этих процессов происходит незаметно. Где-то между поверхностью и морским дном живут, кальцифицируются и опускаются на дно крошечные бронированные клетки, унося с собой углерод.

Ученые уже несколько десятилетий знают, что этот процесс связывает круговорот углерода с долгосрочными климатическими изменениями. Однако им не удавалось точно определить, что именно контролирует количество кальцита, производимого этими клетками.

Новые данные, полученные со дна Атлантического океана, дали некоторые ответы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Эти клетки представляют собой кокколитофоры — микроскопические океанические организмы, обладающие растительными характеристиками. Они обволакивают себя перекрывающимися пластинками кальцита, стабильной формы карбоната кальция.

Эти пластинки, называемые кокколитами, состоят из того же вещества, что и известняк. Каждая клетка меньше толщины человеческого волоса. Когда эти клетки отмирают, их кальцитовые пластинки оседают на морском дне, удерживая углерод в атмосфере на протяжении сотен тысяч лет. Этот медленный поток минералов определяет, какое количество углекислого газа остается в воздухе.

Это может влиять на круговорот углерода на Земле на протяжении длительных геологических периодов времени. Таким образом, значительная часть химических процессов на Земле зависит от этих частиц. Трудность всегда заключалась в том, чтобы выяснить, что именно заставляет их производить больше или меньше кальцита.

В лабораторных исследованиях выращивали отдельные штаммы в резервуарах и многому научились, но резервуар — это не океан. Распространять эти аккуратные результаты на сложный реальный мир и на миллионы лет назад никогда не удавалось.

Группа исследователей из Оксфордского университета (Oxford University) решила обойтись без резервуаров и изучать морское дно напрямую. Они извлекли хорошо сохранившиеся осадочные породы из длинной череды участков, тянущихся с севера на юг через Атлантический океан, от холодных субполярных вод до тропиков.

Под микроскопом зарытые в землю кокколиты сохранили свою форму. Команда измерила их количество, размер, толщину и вес. На основе этих измерений они провели обратный расчет, чтобы оценить скорость роста исходных клеток и интенсивность их работы по построению кальцита.

Альба Гонсалес-Ланчас, ведущий автор исследования и научный сотрудник Оксфордского университета наук о Земле, заявила, что этот подход опирается на давно используемые микроскопические методы, а не на что-то новое.

В этой обыденности и заключается суть. Эти инструменты существуют уже десятилетия; никто раньше не использовал их таким образом, чтобы восстановить биологию этих клеток из старых отложений и оценить последствия для круговорота углерода.

Разделение клеток на два лагеря выявило нечто, чего в природе ранее не наблюдалось столь отчетливо. Один лагерь небольшой и быстрорастущий. Другой — более крупный и естественным образом формирует более тяжелые пластины. В благоприятных условиях эти два лагеря ведут себя как противоположности.

Когда температура, свет и питательные вещества благоприятно сочетались для этих небольших быстрорастущих растений, они образовывали свои самые прочные бронированные пластины. Рост и кальцификация происходили одновременно, синхронно. По всей видимости, океан передает этим маленьким клеткам углерод достаточно быстро, чтобы успевать за всеми их процессами одновременно.

Более крупные клетки двигались в противоположном направлении. Когда они достигали пика численности и росли быстрее всего, их пластинки становились тоньше, а не толще. Вероятно, их явная потребность в углероде опережала возможности воды.

Если заставить их расти быстро, то процесс образования кальцита, похоже, замедляется – это компромисс между тем, что нужно клетке, и тем, что может предоставить окружающая среда.

Два лагеря не пересекаются равномерно по обе стороны океана. Команда обнаружила водораздел, проходящий через Атлантику примерно на 40 градусах северной широты, что примерно соответствует широте Нью-Йорка или Лиссабона. Он разделяет море на две зоны с двумя разными границами.

К северу от этой линии, в более холодной и взбаламученной воде, в производстве кальцита преобладают крупные, сильно пластинчатые виды.

К югу от него, в более мягких средних широтах и субтропиках, преобладают небольшие быстрорастущие виды. Передача эволюции происходит на удивление резко для вида, распространенного по всему открытому океану.

Эта граница совпадает с основными экологическими градиентами в Атлантике — изменениями температуры, содержания питательных веществ и углеродного состава самой морской воды. Исследователи рассматривают её как границу между двумя способами образования кальцита.

На севере скорость химической реакции внутри клетки определяет темп процесса. На юге узким местом, по-видимому, является скорость физического перемещения углерода в клетку.

Два разных стиля строительства даже отражаются в форме тектонических плит, и есть приблизительная параллель с тем, как образуются снежинки.

Мелкие клетки производят кружевные, разветвленные кристаллы — признак клетки, строящейся быстрее, чем углерод может достичь места образования кальцита. Скорость побеждает. Детализация страдает.

Более крупные и медленно развивающиеся ячейки требуют времени. Углерод успевает собраться и сформировать плотные, заполняющие пространство пластины, прежде чем начнётся следующий процесс.

Именно более медленный темп производства позволяет им создавать более тяжелую и плотную броню. Это скорее не недостаток, а разный график работ. Это позволяет объединить размер клеток, скорость роста и химический состав углерода в окружающей воде в единую картину.

Изучение размеров тел этих организмов заложило основу, но связь физической формы кокколита с условиями образования углеродных соединений — это относительно новая область исследований, и именно она позволяет «говорить» о погребенных тектонических плитах .

Новизна этого исследования заключается в возможности извлечения живой биологической микрофлоры из мертвых отложений. До этого исследования связь между условиями океана, физиологией клеток и выделением кальцита оставалась скрытой в лабораторных условиях.

Теперь исследователи могут оценивать темпы роста и кальцификации, основываясь только на ископаемых пластинах, и разработана методика для последовательного проведения таких оценок.

Это дает ученым более точный инструмент для изучения древнего климата. Захороненные кокколиты становятся свидетельством того, как эти клетки реагировали на прошлые колебания химического состава океана и углеродного цикла — колебания, которые планета переживала много раз до нашей эры.

Изменение климата придает этому списку дополнительную актуальность. По мере потепления морей и изменения их химического состава из-за повышения уровня углекислого газа баланс между запасами углерода и потребностями клеток в кальцификации может нарушиться, и линия 40 градусов может сдвинуться.

Состав клеток, которые будут доминировать в океане завтрашнего дня, и количество кальцита, которое они погребут, могут не совпадать с тем, что зафиксировано на морском дне сегодня.