Как химическая война между водорослями меняет залив Мэн

По мере потепления океана в умеренных регионах леса ламинарий разрушаются, а их место занимают виды нитчатых водорослей (turf algae). Этот сдвиг от высоких крон ламинарий к низким матам turf algae ведет к потере биоразнообразия и изменяет потоки энергии и питательных веществ в рифовых экосистемах, а также фундаментально меняет их химическую экологию.

Новое исследование в Science, проведенное учеными из Лаборатории Бигелоу, впервые показало, как turf algae выделяют химические вещества, способные убивать молодые ламинарии. Это создает петлю обратной связи: больше turf algae → больше вредных химикатов → дальнейшее подавление восстановления ламинарий и закрепление их коллапса.

Это химически опосредованное взаимодействие, которое ученые называют аллелопатией (или, как говорят авторы, «химической войной»), раскрывает косвенный путь, по которому изменение климата меняет океанические экосистемы, осложняя восстановление лесов ламинарий у быстро теплеющего побережья Мэна.

Сдвиг экосистемы и его последствия

Смена ламинарий на turf algae аналогична переходу наземного леса в луговую экосистему. С потерей лесов ламинарий снижается биоразнообразие, продуктивность и экосистемные услуги для человека.

Ранее было известно, что укоренившиеся turf algae могут мешать восстановлению ламинарий, занимая пространство на рифе или укрывая мелких травоядных, которые поедают молодые ламинарии. Однако роль химических изменений среды в этом процессе в умеренных водах изучена не была.

Методы исследования: от полевых наблюдений до химического анализа

Ученые провели трехлетние полевые исследования в заливе Мэн, документируя трудности выживания молодых ламинарий в южных районах побережья, где леса уже разрушились. Были собраны пробы воды и водорослей.

Для химического анализа команда применила нецелевой метаболомный анализ (non-targeted metabolomics), чтобы идентифицировать весь спектр малых молекул в образцах. Этот метод похож на идентификацию по отпечатку пальца, но менее 2% обнаруженных химических признаков имели ранее описанные аналоги.

Для классификации неизвестных соединений использовались вычислительные инструменты, предсказывающие их идентичность, молекулярные формулы и структуры на основе паттернов фрагментации. Это позволило отнести соединения к широким химическим семействам и показать, насколько химическая среда леса ламинарий отличается от среды рифа, где доминируют turf algae.

Экспериментальное подтверждение «химической войны»

В лабораторных экспериментах ученые проверили влияние как общей химической среды вокруг рифов с turf algae, так и конкретных веществ, выделяемых пятью наиболее распространенными видами этих водорослей, на гаметофиты — раннюю стадию жизни ламинарии.

Эксперименты показали, что выживаемость гаметофитов резко снижалась — в некоторых случаях до 500% — при воздействии химикатов от turf algae. Это подтвердило, что новая химическая среда напрямую ответственна за гибель ламинарий.

Выводы и последствия

Исследование впервые показало, что химическая война может определять потенциал восстановления лесов холодноводных ламинарий. Некоторые типы молекул, идентифицированные на рифах с turf algae, также участвуют в динамике восстановления тропических коралловых рифов.

Предыдущие работы подтвердили, что потепление океана — основная причина сокращения лесов ламинарий в заливе Мэн. Однако новые данные показывают, что turf algae могут «запирать» экосистему в деградировавшем состоянии, что усложняет восстановление.

«Как только turf algae укореняются, просто сократить глобальные выбросы углерода и обратить вспять потепление океана недостаточно, чтобы вернуть леса ламинарий Мэна, — говорит ведущий автор Шейн Фаррелл. — Из-за этих механизмов обратной связи нам нужны локальные вмешательства для удаления turf algae, прежде чем ламинарии смогут восстановиться».