Ученые впервые наблюдали поглощение органического углерода кокколитофоридами в природе

Кокколитофориды, глобально распространенный тип фитопланктона, играют ключевую роль в круговороте углерода между океаном и атмосферой. Новое исследование из Bigelow Laboratory for Ocean Sciences показывает, что эти важные микробы могут выживать в условиях низкой освещенности, поглощая растворенные органические формы углерода, что заставляет пересмотреть процессы, управляющие круговоротом углерода в океане. Результаты опубликованы на этой неделе в Science Advances.

Способность извлекать углерод путем прямого поглощения растворенного органического углерода известна как осмотрофия. Хотя ученые ранее наблюдали осмотрофию у кокколитофоридов в лабораторных культурах, это первое доказательство данного явления в природе.

Команда под руководством старшего научного сотрудника Уильяма Балча провела эксперименты с популяциями кокколитофоридов в северо-западной части Атлантического океана. Они измерили скорость, с которой фитопланктон потреблял три различных органических соединения, каждое из которых было помечено химическими маркерами для отслеживания. Растворенные соединения использовались кокколитофоридами в качестве источника углерода как для органических тканей их одноклеточных организмов, так и для неорганических минеральных пластин (кокколитов), которые они выделяют вокруг себя. Поглощение органических соединений было медленным по сравнению со скоростью фотосинтеза, но не незначительным.

«Кокколитофориды не выигрывают никакой "гонки роста", поглощая эти растворенные органические материалы, — сказал Балч. — Они просто выживают, но могут медленно расти».

Обычно растения, такие как кокколитофориды, получают углерод для роста из неорганических форм (CO₂ и бикарбоната) посредством фотосинтеза. Когда кокколитофориды отмирают, они опускаются, увлекая углерод на дно океана, где он может быть реминерализован или захоронен на миллионы лет — процесс, известный как биологический насос углерода.

В рамках параллельного процесса — щелочного насоса — кокколитофориды также преобразуют молекулы бикарбоната в поверхностных водах в карбонат кальция (по сути, известняк), формирующий их защитные кокколиты. При отмирании этот плотный неорганический углерод также переносится на глубину.

Новые данные свидетельствуют, что кокколитофориды используют не только эти неорганические формы углерода у поверхности. Они также поглощают растворенный органический углерод (крупнейший пул органического углерода в море) и включают его часть в свои кокколиты, которые в итоге опускаются в глубины океана. Это указывает, что поглощение свободно плавающих органических соединений представляет собой дополнительное звено как в биологическом, так и в щелочном насосах, обеспечивающих перенос углерода с поверхности океана на глубину.

«В океане есть этот огромный источник растворенного органического углерода, который мы всегда считали не связанным с карбонатным циклом, — отметил Балч. — Теперь мы утверждаем, что некоторая часть углерода, уходящего на глубину, фактически происходит из этого огромного пула».

Это третья и заключительная статья в рамках трехлетнего проекта. Исследование было вдохновлено диссертацией Уильяма Блэнкли из Scripps Institution of Oceanography (альма-матер Балча), написанной десятилетия назад. В 1960-х годах Блэнкли смог выращивать кокколитофориды в темноте в течение 60 дней, подкармливая их глицерином (одно из соединений, использованных в текущем исследовании). К сожалению, он умер до публикации своей работы. Воспроизведение его выводов спустя столько лет с помощью новых технологий, по словам Балча, является заслугой качества той ранней работы.

Основной сложностью последнего исследования было проведение измерений вне контролируемой лабораторной среды. Команде пришлось разработать метод измерения этих органических соединений в морской воде — при естественных концентрациях, на порядки ниже, чем в экспериментах Блэнкли, — и затем отслеживать их поглощение дикими кокколитофоридами.

«Когда вы культивируете фитопланктон в лаборатории, вы можете вырастить сколько угодно. Но в океане вы берете то, что есть, — пояснил Балч. — Сложность заключалась в том, чтобы найти сигнал среди всего шума и с уверенностью доказать, что это кокколитофориды включают эти органические молекулы в свои кокколиты».

Хотя текущий проект завершен, следующим шагом, по словам Балча, будет изучение способности кокколитофоридов поглощать другие органические соединения из морской воды с той же скоростью, что и три протестированных. Несмотря на медленные темпы поглощения этих трех соединений в эксперименте, в морской воде присутствуют тысячи других органических молекул, которые они потенциально могут усваивать. Если это так, данное открытие может оказаться еще более значимым для понимания глобального цикла углерода.