Как фитопланктон меняет представление о климате Земли

Долгое время в науке господствовало простое и элегантное представление о роли фитопланктона в судьбе планетарного углерода. Эти микроскопические водоросли, основа океанических пищевых цепей, цвели, поглощая углекислый газ, и умирали, чтобы быть мгновенно съеденными другими организмами, возвращая углерод обратно в атмосферу в бесконечном, быстром цикле. Они считались временными арендаторами углерода, а не его постоянными хранителями.

Однако это устоявшееся убеждение было опровергнуто революционным открытием, которое переписывает наши учебники по экологии и климатологии. Исследовательская группа под руководством профессора Ван Фэминга из Южно-Китайского ботанического сада Китайской академии наук обнаружила, что фитопланктон обладает удивительной способностью напрямую закачивать «упрямый» углерод в глубины океана, где он может надежно храниться веками.

Это фундаментальное исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, бросает вызов многолетнему научному консенсусу. Применив передовой метод масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения для анализа шести ключевых групп фитопланктона, ученые сделали поразительное открытие: более 10% углерода в этих организмах представлено в форме так называемого «устойчивого растворенного органического углерода» (RDOC). Эта сложная совокупность органических молекул представляет собой не быстроперерабатываемый питательный элемент, а долговременный резервуар углерода, способный противостоять быстрому разложению и тем самым эффективно изымать углерод из атмосферного цикла на столетия.

Исследование детализирует два различных пути, которыми фитопланктон поставляет углерод в океан. Классический путь предполагает выделение биодоступного растворенного органического углерода (BDOC), который служит легкой добычей для микробов и быстро возвращается в экосистему. Однако ключевая новизна работы заключается в подтверждении того, что фитопланктон способен и на прямой путь — секретировать устойчивый RDOC в обход быстрой микробной переработки. Таким образом, независимо от того, образуется ли RDOC в результате последующей микробной трансформации или напрямую выделяется фитопланктоном, он становится краеугольным камнем в процессе долгосрочного накопления углерода в океане. Молекулярный состав углерода фитопланктона, таким образом, напрямую регулирует размер и стабильность одного из крупнейших резервуаров углерода на планете.

Исторически главной сложностью в изучении этого процесса было колоссальное разнообразие фитопланктона и высокая изменчивость его жизненных циклов. Короткие периоды цветения и спада, а также видовые различия создавали значительную вариабельность в том, как разные таксоны используют углерод в разные сезоны, что делало практически невозможным точное картирование состава и потоков RDOC.

Для преодоления этого барьера научная группа применила комплексный междисциплинарный подход. Они объединили сверхточные данные масс-спектрометрии, раскрывающие молекулярные секреты RDOC, с мощью спутникового дистанционного зондирования и передовых алгоритмов машинного обучения. Результатом стал первый в своем роде глобальный набор данных о морском RDOC.

Этот новаторский набор данных позволил не только количественно оценить вклад различных групп фитопланктона в глобальный круговорот углерода, но и выявить тонкие, но критически важные закономерности. Анализ четко показал, что фаза роста и цветения фитопланктона продуцирует значительно больше устойчивого углерода по сравнению с фазой спада.

Как отметил доктор Лу Чжэ, первый автор исследования, это открытие имеет огромное практическое значение. Новые инструменты и данные теперь позволяют ученым четко и оперативно моделировать, как изменения в продолжительности цветения водорослей или климатически обусловленные сдвиги в видовом составе фитопланктона повлияют на будущую емкость и стабильность океанического резервуара углерода. Это открывает новую страницу в прогнозировании климатических изменений и понимании роли океана.