Исследование раскрывает, как историческое "красное прилитие" 2020 года было подпитано суперпловцами-планктоном

Крупное явление "красного прилива" произошло у побережья Южной Калифорнии весной 2020 года, вызвав впечатляющие свечения биолюминесценции. Это было вызвано чрезвычайно высокой плотностью динофлагеллят Lingulodinium polyedra (L. polyedra), известных способностью светиться неоново-синим светом. Это событие также было вредоносным цветением водорослей (harmful algal bloom).

На пике цветения были обнаружены токсины, потенциально опасные для морской жизни, а уровень растворенного кислорода упал почти до нуля при разложении биомассы. Это привело к заморам рыбы и другим разрушительным последствиям для экосистем.

Исследование под руководством ученых из Скриппсовского института океанографии и Школы инженерии Джейкобса UC San Diego впервые точно определило механизм, позволивший этому виду создать столь плотное цветение. Ответ кроется в выдающейся способности динофлагеллят к плаванию, что дает им конкурентное преимущество перед другими видами фитопланктона.

"Идея о том, что вертикальное плавание дает динофлагеллятам конкурентное преимущество, существует более полувека, но только сейчас у нас есть технологии, чтобы окончательно доказать это в полевых условиях", — сказал океанограф Дрю Лукас, старший автор статьи.

Доказательство гипотезы в поле

В разгар события в апреле-мае 2020 года исследователи использовали передовые инструменты. Результаты, опубликованные 28 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences, подтвердили, что L. polyedra активно мигрируют:

Это вызывало усиление красноватой окраски воды у поверхности днем ("красный прилив"). Часть популяции оставалась у поверхности ночью, создавая биолюминесценцию. Именно эта вертикальная миграция позволила динофлагеллятам обогнать в росте неподвижных конкурентов.

Исследование подтвердило 50-летнюю гипотезу, выдвинутую океанографом Скриппса Ричардом "Диком" Эппли, о связи вертикальной миграции динофлагеллят с вредоносным цветением.

"Майкл Фелпс" планктонного мира

L. polyedra — одноклеточный организм с парой жгутиков. Он не только подвижен, но и невероятно быстр: до 10 длин тела в секунду почти 24 часа подряд.

"В мире планктона они — Майкл Фелпс. Для сравнения, скоростной рывок у тунца или мако — около 9–10 длин тела в секунду, но лишь на очень короткое время. Их исключительное плавание позволяет L. polyedra нырять на холодные глубины для поглощения питательных веществ, что и приводит к взрывному росту популяции", — пояснил Лукас.

Технологии и открытия

Команда использовала два ключевых инструмента:

  1. Wirewalker: автономная волно-приводная система для вертикального профилирования, измеряющая температуру, соленость, глубину, уровень света, флуоресценцию хлорофилла и концентрацию нитратов до глубины 100 метров.
  2. Imaging FlowCytobot (IFCB): роботизированный микроскоп на морской станции (часть сети SCCOOS), делавший снимки цветения у поверхности.

Данные подтвердили, что L. polyedra:

  • Спускались в сумерках, достигая максимума на глубине 30–40 метров через 18–24 часа плавания.
  • Поглощали нитраты на глубине.
  • Возвращались к поверхности около полудня для фотосинтеза.
  • Рост биомассы фитопланктона коррелировал с пропорциональным снижением концентрации нитратов на глубине.
  • В пасмурные дни миграция была менее выражена, что указывает на солнечный свет как важный триггер.

Значение и последствия

Анализ долгосрочных данных California Cooperative Oceanic Fisheries Investigations (CalCOFI) и Ocean Time-Series Group Scripps показал, что цветение создало в водной толще физико-химические условия, отклоняющиеся от нормы. Это демонстрирует потенциал массивных цветений изменять характеристики прибрежного океана.

Соавтор и директор SCCOOS Кларисса Андерсон отметила важность исследования для прогнозирования:

"Чем лучше мы понимаем сложные механизмы, позволяющие конкретному виду планктона процветать, тем точнее можем предсказывать события вроде "красного прилива" 2020 года, который длился дольше, чем предполагает теория. Долгосрочные наблюдения за изменениями в поступлении питательных веществ, циркуляции, световом режиме и токсинах водорослей позволят создать более точные динамические модели для прогнозирования цветений, включая вредоносные".

Связывая поведение фитопланктона с изменениями в прибрежной среде, исследователи смогут лучше понять условия, вызывающие вредоносное цветение водорослей, и последствия таких событий, что поможет в их прогнозировании и смягчении воздействия.