Арктические микроводоросли способны к фотосинтезу почти в полной темноте

Фотосинтез в природе может происходить даже при экстремально низком уровне освещённости. К такому выводу пришло международное исследование, изучавшее развитие арктических микроводорослей в конце полярной ночи. Измерения проводились в рамках экспедиции MOSAiC на 88° северной широты и показали, что даже так далеко на севере микроводоросли могут наращивать биомассу посредством фотосинтеза уже в конце марта.

В это время солнце едва поднимается над горизонтом, поэтому в среде обитания микроводорослей под снежным и ледяным покровом Северного Ледовитого океана по-прежнему почти полностью темно. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, показывают, что фотосинтез в океане возможен при гораздо более низком уровне света и, следовательно, может происходить на гораздо большей глубине, чем предполагалось ранее.

Фотосинтез преобразует солнечный свет в биологически полезную энергию и таким образом формирует основу всей жизни на нашей планете. Однако предыдущие измерения количества света, необходимого для этого, всегда были значительно выше теоретически возможного минимума. Исследование показывает, что накопление биомассы действительно может происходить при количестве света, близком к этому минимуму.

В своей работе исследователи использовали данные международного исследовательского проекта MOSAiC. В рамках экспедиции в 2019 году немецкий ледокол Polarstern был вмёрзнут в лёд центральной Арктики на год для изучения годового цикла арктического климата и экосистемы. Команда под руководством доктора Клары Хоппе из Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований им. Гельмгольца (AWI), сосредоточилась на изучении фитопланктона и ледовых водорослей.

Именно они ответственны за большую часть фотосинтеза в центральной Арктике. Неожиданно измерения показали, что всего через несколько дней после окончания длящейся месяцами полярной ночи снова начала нарастать растительная биомасса, для чего фотосинтез абсолютно необходим. Чрезвычайно чувствительные датчики света во льду и воде позволили измерить количество доступного света.

Результаты оказались особенно удивительными, потому что фотосинтез в Северном Ледовитом океане происходил под покрытым снегом морским льдом, который пропускает лишь несколько фотонов падающего солнечного света: для своего роста микроводоросли имели в распоряжении лишь около одной стотысячной части количества света солнечного дня на поверхности Земли.

«Очень впечатляет, насколько эффективно водоросли могут использовать такое малое количество света. Это ещё раз показывает, насколько хорошо организмы приспособлены к своей среде», — говорит Хоппе.

Исследование стало возможным благодаря тесному сотрудничеству учёных из различных дисциплин. Исследователи морского льда доктор Нильс Фукс и профессор Дирк Ноц из Института морских исследований Гамбургского университета отвечали за совмещение измерений светового поля с биологическими измерениями.

«Чтобы измерить такой низкий уровень освещённости в суровых условиях арктической зимы, нам пришлось вморозить в лёд посреди полярной ночи специальные, недавно разработанные приборы», — объясняет Фукс. Его коллега Дирк Ноц добавляет, что особенно сложно было учесть неоднородности светового поля подо льдом из-за вариаций толщины льда и снега. «Но в итоге мы могли быть уверены: света просто не было больше».

Результаты исследования важны для всей планеты. «Хотя наши результаты специфичны для Северного Ледовитого океана, они показывают, на что способен фотосинтез. Если он настолько эффективен в сложных условиях Арктики, мы можем предположить, что организмы в других регионах океанов также так хорошо адаптировались», — говорит Хоппе.

Это означает, что в более глубоких районах океанов также может быть достаточно света для производства полезной энергии и кислорода посредством фотосинтеза, которые затем, например, были бы доступны для рыб. Соответственно, фотосинтетическая среда обитания в глобальном океане может быть значительно больше, чем предполагалось ранее.