Анатомия цветения фитопланктона к северу от Гавайев
Крупные цветения фитопланктона к северу от Гавайских островов, наблюдаемые со спутников почти каждое лето как обширные цветные завихрения, долгое время оставались загадкой с точки зрения их происхождения и экосистемной динамики.
Исследование под руководством океанографов из Университета Гавайев (UH) в Маноа раскрыло совокупность условий, поддерживающих взрывной рост фотосинтезирующих микробов, и каскад реакций в микромире океана. Это высоко междисциплинарное исследование впервые дает всесторонний взгляд на анатомию этих масштабных биологических событий.
Работа опубликована в журнале Progress in Oceanography.
Исследование цветения в 2022 году
Северный субтропический круговорот Тихого океана часто называют океанской пустыней из-за крайне низкого уровня питательных веществ. Однако в конце лета формируется уникальное партнерство между диатомовыми водорослями (микробами, живущими в стеклянной оболочке) и диазотрофами (бактериями, способными фиксировать атмосферный азот), что создает удобрение для системы.
Летние цветения непредсказуемы по времени и месту. В 2022 году ученые, заметив на спутниковых снимках цветение размером с Миннесоту в зоне досягаемости экспедиции на судне R/V Kilo Moana, оперативно начали его исследование.
Мультидисциплинарная команда изучила микробное сообщество цветения, динамику питательных веществ, состав взвешенного вещества, скорость фотосинтеза и фиксации азота, а также обилие специфических функциональных генов.
Условия возникновения и влияние
Исследование показало, что цветения, вероятно, запускаются, когда исходная популяция ассоциаций диатомея-диазотроф повышена при наличии других благоприятных условий:
- Выше среднего концентрации фосфата и силиката.
- Более мелкий перемешанный слой на поверхности океана.
Этот мелкий слой удерживает фотосинтезирующие микробы у поверхности, где много солнечного света, необходимого для эффективной фиксации азота.
Цветение оказывает огромное влияние на структуру глубжележащих вод. Скопление фитопланктона на поверхности затеняет воду ниже, что приводит к резкому снижению фотосинтеза на глубинах ниже ~50 метров. Это изменило типичный баланс между фитопланктоном и бактериями, реминерализующими органическое вещество, и вызвало необычное накопление аммония в нижней эвфотической зоне.
Контекст и жизненный цикл
Исследование опиралось на исторический контекст программы долговременных наблюдений UH Mānoa Hawai'i Ocean Time-series (HOT), ведущейся с 1988 года. Сравнение данных экспедиции 2022 года с фоновыми условиями HOT позволило выделить уникальные характеристики цветения и понять его жизненный цикл.
Ученые предполагают, что коллапс цветения может быть вызван:
- Истощением питательных веществ (например, фосфата).
- Углублением перемешанного слоя, что тормозит рост.
- Увеличением смертности из-за паразитов, вирусов или хищников.
Значение для глобального углеродного цикла
Понимание этих цветений важно для климатического моделирования. Ассоциации диатомея-диазотроф тяжелые, поэтому при гибели они быстро опускаются, эффективно экспортируя углерод из атмосферы в глубины океана.
Изучение того, что ограничивает рост диазотрофов, многое говорит о пределах общего потенциала фотосинтетического производства в бедных питательными веществами круговоротах. Это важно, поскольку эти круговороты играют большую роль в балансе углекислого газа между океаном и атмосферой.