Когда планктон попадает в горячую воду, органические вещества задерживаются на поверхности и нарушают транспорт углерода в глубины океана.

Морские волны тепла – это случаи необычайно тёплой воды, которая может сохраняться на поверхности океана месяцами. Подобно волнам тепла, которые мы испытываем на суше, морские волны тепла могут изменять химический состав окружающей среды и нарушать биологические процессы. Катастрофические потери мегафауны – очевидный признак неблагополучия системы. Исследователи уже начали накапливать достаточно данных, чтобы понять, как микробные организмы, составляющие основу пищевых цепей океана, также реагируют на волны тепла.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, представлены результаты десятилетних измерений, документирующих две последовательные волны тепла в северо-восточной части Тихого океана. Междисциплинарная группа авторов статьи использовала сочетание данных с автономного роботизированного буя, исследовательского круиза и спутниковых данных, чтобы понять, как микробные сообщества в регионе реорганизовались в ответ на экстремальные явления.

Исследователи обнаружили, что во время волн тепла на поверхности океана увеличивалось производство органического вещества, но богатые углеродом частицы не тонули и не плавали, а просто оставались на месте.

Биологический углеродный насос

Фитопланктон — крошечные фотосинтезирующие микробы — запускают биологический углеродный насос. Используя солнечный свет и углекислый газ (CO₂) для роста, они извлекают углерод из атмосферы и включают его в круговорот углерода в океане. Зоопланктон питается обширными полями этих растительноподобных организмов, перенося углерод глубже в толщу воды в виде фекальных гранул и кусочков недоеденного планктона. В конце концов, некоторые из этих частиц оседают достаточно глубоко, чтобы питать экосистемы глубоководных районов океана.

Этот углеродный насос представляет собой глобально значимый буфер, защищающий от последствий изменения климата, поскольку океан поглощает примерно четверть CO₂, выбрасываемого в результате деятельности человека. По некоторым оценкам, текущая концентрация CO₂ в атмосфере может увеличиться на целых 50%, если биологический углеродный насос прекратит транспортировку углерода в глубины океана.

«Способность океана связывать углерод зависит от микробов, находящихся в основе пищевой цепи, поэтому очень важно начать понимать, как морские волны тепла влияют на микробные сообщества», — пояснила Мариана Биф (Mariana Bif), ведущий автор нового исследования. Биф — доцент Университета Майами, ранее работавшая исследователем в Научно-исследовательском институте аквариума залива Монтерей.

Когда пищевая цепь запутывается

В обеих морских волнах тепла, отслеживаемых в исследовании, авторы обнаружили признаки перегрева биологического углеродного насоса. Частицы, богатые углеродом, находились на глубине примерно 200 метров под поверхностью, но во время двух волн тепла их накопление было вызвано разными механизмами.

Первая волна тепла, включённая в исследование, началась в 2013 году, когда необычно слабые ветры над Тихим океаном не смогли перенести тёплый летний воздух обратно на материковую часть США. Эта волна тепла, получившая название «Blob», попала в заголовки газет, поскольку тёплая, застоявшаяся вода с дефицитом кислорода привела к массовой гибели фауны во всех уголках Тихого океана, прежде чем рассеялась в 2015 году.

В 2019 году неоднородная облачность над океаном и более мелкий смешанный слой на поверхности моря подготовили почву для новой волны тепла, охватившей северо-восточную часть Тихого океана. Эта вторая волна тепла резко повысила температуру и стала известна как «Blob 2.0».

Биф и её соавторы обнаружили, что во время обеих волн тепла морское микробное сообщество претерпело изменения в составе «менеджеров среднего звена».

В первые годы существования «Blob» физические и химические условия благоприятствовали развитию более мелких видов фитопланктона, что, в свою очередь, способствовало появлению нового стада зоопланктонных травоядных. Эта дискретная пищевая сеть в конечном итоге создала океанический слой, полный органических частиц, которые были слишком лёгкими, чтобы погрузиться в более плотные глубинные воды.

Во время «Blob 2.0» концентрация взвешенных органических веществ была ещё выше, но рост был обусловлен не только первичной продукцией. На этот раз условия благоприятствовали экономным видам. Организмы, способные при необходимости питаться детритом и низкокачественной органикой, стали более многочисленными, что свидетельствует о том, что система осуществляет круговорот и переработку углерода, чтобы удерживать его в верхних слоях водной толщи. В этом сообществе процветали паразиты, а организмы (включая группу радиолярий), ранее никогда не встречавшиеся в северо-восточной части Тихого океана, стали регулярными обитателями.

Измерения вдали от цивилизации

Набор технологий, использованных в исследовании, отличает его от предыдущих попыток каталогизировать воздействие морских волн тепла.

«Мы вступаем в эпоху „больших данных“ в биогеохимии океана, тогда как раньше мы были ограничены лишь тем, что могли собрать с судов», — сказала Стефани Хенсон (Stephanie Henson), ведущий научный сотрудник Национального океанографического центра в Саутгемптоне, Великобритания.

Хенсон не принимала участия в исследовании. Хенсон пояснила, что автономные буи и другие передовые системы мониторинга позволяют исследователям работать с наборами данных, охватывающими период, превышающий продолжительность одного исследовательского круиза.

«Исследователи изучают реакцию на морские волны тепла в таких системах, как коралловые рифы и др.», — сказала Хенсон, пояснив, что исследователи обнаружили, что не все биологические реакции одинаковы при изменении одной морской волны тепла на другую. Однако она отметила, что это исследование стало первым, которое, по её мнению, демонстрирует, что потоки углерода в океане также имеют сложную реакцию на морские волны тепла.

Чтобы отслеживать основные показатели состояния Тихого океана до, во время и после каждой волны тепла, исследователи использовали данные Глобального массива биогеохимических данных океана (GO-BGC). Приборы GO-BGC являются частью массива Argo – глобальной сети из тысяч автономных роботизированных буёв. Каждый буй свободно дрейфует в океанских течениях, отслеживая pH, солёность, температуру и другие показатели.

Несмотря на все их возможности, буи не способны собирать микробные образцы. Поэтому вместо того, чтобы Биф искала данные, данные приходили к ней.

Стивен Халлам (Steven Hallam), микробиолог из Университета Британской Колумбии и соавтор нового исследования, связался с Биф после прочтения её интервью о её работе по изучению морских волн тепла. Он предположил, что образцы планктонной ДНК, хранящиеся в морозильной камере его лаборатории, могут быть полезны для исследования Биф углеродного цикла океана. Учёные из группы Халлама ранее публиковали исследования бактериальных сообществ в том же регионе, используя образцы, собранные во время исследовательских экспедиций вдоль трансекты «Линия P» у побережья Британской Колумбии. После обмена электронными письмами группа Халлама повторно обработала образцы, расширив анализ с бактерий на весь состав сообщества, что внесло значительный вклад в исследование Биф.

Хотя история о том, как планктонная ДНК попала к Биф, свидетельствует о силе научной коммуникации и сотрудничества, Хенсон отметила, что разрезы линии P «не обязательно пространственно пересекаются с регионами наибольшего воздействия морских волн тепла», и к объединению наборов данных разного масштаба (например, данных с борта судна и данных автономных буёв) следует подходить с осторожностью.

Тем не менее, Хенсон добавила: «Это лучшее, что мы можем сделать на данный момент».

Сохраняющиеся неопределённости

Что касается будущих исследований, Биф участвует в нескольких новых проектах, изучающих морские деоксигенированные регионы, но отметила: «Я всегда сосредоточена на буях BGC-Argo».

Биф отметила, что будет интересно изучить данные BGC-Argo с буёв, находящихся в центре морской волны тепла, которая в настоящее время затрагивает северную часть Тихого океана. Эта волна тепла уже демонстрирует признаки замедления, хотя учёные говорят, что она, вероятно, сохранится всю зиму.

«Я не уверен, что эта волна будет иметь такие же сильные стороны, как некоторые из предыдущих морских волн тепла в регионе», — сказал Ник Бонд (Nick Bond), который не участвовал в этом исследовании, но изучал морские волны тепла в рамках своей предыдущей должности климатолога в штате Вашингтон. Сейчас он старший научный сотрудник Вашингтонского университета.

Бонд добавил, что, хотя имеются «предварительные доказательства» того, что потепление климата может увеличивать частоту морских волн тепла в Тихом океане, учёным ещё многое предстоит узнать, прежде чем они смогут точно спрогнозировать их поведение в будущем.

Тем временем, на суше развивается ещё одна неизведанная область исследований, которая пока неизвестна.

«В сообществе есть определённая обеспокоенность, поскольку в настоящее время США предоставляют около половины буёв для глобальной программы Argo», — сказала Хенсон, намекая на недавнее сокращение бюджета практически всех направлений федеральных исследований в США. Однако она пояснила, что другие страны увеличивают финансирование, чтобы программа Argo оставалась на плаву.

«То, что мы не измеряем, мы не можем понять. Нам нужны дополнительные инвестиции в мониторинг океана», — сказала Биф.

 

Ссылка: https://eos.org/articles/marine-heat-waves-slow-the-oceans-carbon-f