Питательные вещества, вирусы и биологический углеродный насос

Согласно новому математическому моделированию, добавление питательных веществ в море может снизить уровень вирусного заражения фитопланктона и повысить эффективность биологического насоса — механизма переноса углерода из атмосферы в глубины океана. Результаты, опубликованные в Journal of Theoretical Biology, имеют значение для предлагаемых геоинженерных схем борьбы с глобальным потеплением.

Крошечные свободноплавающие водоросли — фитопланктон — доминируют в биологической продуктивности мирового океана и находятся в основании морской пищевой цепи. Их популяционная динамика контролируется солнечным светом, доступностью питательных веществ, выеданием мелкими планктонными животными (зоопланктоном) и смертностью от вирусных инфекций.

«Вирусы — самые многочисленные организмы в мировом океане, и считается, что все виды фитопланктона восприимчивы к заражению. Нашей целью было смоделировать взаимодействие между вирусами, фитопланктоном, выеданием зоопланктоном и уровнем питательных веществ», — сказал доктор Адриан Мартин из Национального океанографического центра (NOC), который сотрудничал в проекте с доктором Кристофером Роудсом, био-математиком из Имперского колледжа Лондона.

Исследователи использовали подход «эко-эпидемиологического» моделирования, учитывающий взаимное влияние экологии и эпидемиологии заболеваний. Этот подход ранее использовался для моделирования влияния патогенов на популяционную динамику млекопитающих и беспозвоночных животных.

Они рассматривали только случай литических вирусов, которые являются наиболее распространенным типом вирусов, заражающих морской фитопланктон. Литические вирусы вводят свою ДНК в клетку-хозяина и используют её репликационный аппарат для производства новых вирусных частиц. Клетка-хозяин в конечном итоге разрывается, высвобождая новые вирусы вместе с содержимым клетки, которое возвращается в окружающий пул питательных веществ.

Взаимодействие вирусов, фитопланктона, выедания зоопланктоном и уровня питательных веществ создает тонкие обратные связи и сложную динамику, что представляет проблему для моделирования. Поэтому Роудс и Мартин использовали три модели последовательно возрастающей сложности, чтобы понять ключевые факторы, управляющие динамикой, и повысить уверенность в надежности прогнозов модели.

Модели предсказывают, что пониженный уровень питательных веществ соответствует высоким уровням вирусного заражения фитопланктона.

С другой стороны, повышенный уровень питательных веществ, согласно прогнозам, снижает уровень вирусной инфекции. Это означает, что больше углерода, содержащегося в фитопланктоне, будет доступно зоопланктону и другим существам выше по пищевой цепи.

Когда эти организмы умирают, часть связанного с ними углерода опускается в глубины океана, где может быть изолирована на столетия, вместо того чтобы высвобождаться обратно в атмосферу в виде диоксида углерода (CO₂). Этот механизм экспорта углерода в глубинный океан называется биологическим углеродным насосом.

Искусственное усиление биологического углеродного насоса путем удобрения океана питательными веществами предлагалось в качестве возможной геоинженерной «заплатки» для глобального потепления, вызванного увеличением атмосферного CO₂ из антропогенных источников.

«Снижение уровня вирусного заражения, вызванное искусственным добавлением питательных веществ в море, могло бы в будущем принести пользу человечеству, повысив эффективность биологического углеродного насоса и сделав эти предлагаемые схемы океанической геоинженерии более жизнеспособными», — сказал доктор Роудс.