Эксперимент показывает, как взаимодействия в сообществе усиливают реакцию кальцифицирующих видов фитопланктона на закисление

Кокколитофориды, одноклеточные кальцифицирующие водоросли, играющие ключевую роль в климатической системе Земли, могут утратить свою конкурентную способность в океане будущего. В полевом эксперименте по изучению влияния закисления океана на кокколитофориду Emiliania huxleyi в её естественной среде этот вид не смог сформировать цветение. Именно в периоды экспоненциального роста эти водоросли вносят огромный вклад в циклы элементов, включая перенос углерода в глубины океана. Основываясь на наблюдениях, команда исследователей под руководством Центра океанических исследований GEOMAR имени Гельмгольца в Киле пришла к выводу, что слабая физиологическая реакция на закисление океана была усилена экологическими взаимодействиями в степени, достаточной для оказания массового воздействия на экосистему. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Поглощение океаном углекислого газа (CO₂) от сжигания ископаемого топлива повышает кислотность морской воды и снижает концентрацию карбонат-ионов. Этот процесс, называемый закислением океана, делает формирование известковых раковин и скелетов более энергозатратным для кальцифицирующих организмов. Несколько исследований показали, что это справедливо и для Emiliania huxleyi — самого многочисленного и продуктивного кальцифицирующего организма в мире. В контролируемых лабораторных экспериментах при воздействии закисления скорость роста и кальцификации этой одноклеточной водоросли незначительно снижается. Даже после более чем двух тысяч поколений в условиях закисления эти реакции в некоторой степени сохраняются, что позволяет предположить, что эволюционная адаптация может не полностью устранить негативные эффекты. Однако вопрос о том, что это означает для способности водоросли сохранять конкурентную способность в естественной среде при продолжающемся закислении, оставался открытым.

Чтобы ответить на него, команда использовала платформу для экспериментов KOSMOS (Кильские оффшорные мезокосмы для моделирования океана) в Раунефьорде у западного побережья Норвегии, где цветения Emiliania huxleyi регулярно происходят поздней весной. Каждая из девяти установок KOSMOS заключала около 75 кубических метров морской воды в 25-метровый пластиковый мешок. Концентрации CO₂ в этих «гигантских пробирках» варьировались от современных до прогнозируемых на середину следующего века. В течение шести недель учёные проводили измерения и отбирали пробы, включая сбор опускающихся частиц в осадочных ловушках.

«Учитывая довольно небольшие изменения в метаболической активности Emiliania, наблюдавшиеся в предыдущих лабораторных экспериментах, мы прогнозировали, что она всё же сможет сохранить свою экологическую нишу. То, что мы наблюдали, стало большим сюрпризом», — говорит профессор Ульф Рибезелль. В мезокосмах, моделирующих условия будущего океана, Emiliania не смогла сформировать цветение. Детальный анализ показал, что её упадок начался задолго до периода цветения. Небольшое снижение скорости роста клеток из-за закисления привело к постепенному сокращению численности популяции в предцветущую фазу. «Когда пришло время Emiliania начать формировать цветение, в сообществе планктона осталось так мало клеток, что она уже не могла обогнать своих конкурентов», — поясняет Ульф Рибезелль.

Утрата конкурентной способности кальцифицирующей водоросли оказала сильное воздействие на экосистему. «Поток органического вещества на глубину был сильно снижен в отсутствие цветения», — объясняет доктор Кай Шульц. Причина в том, что плотные известковые пластинки Emiliania служат балластом для агрегированного органического вещества и ускоряют его погружение. «Без этого известкового балласта агрегаты опускаются медленнее, и у бактерий есть больше времени на разложение органики в поверхностном слое. В результате больше CO₂, связанного в органическом веществе, остаётся в поверхностном слое, что снижает потенциал океана по поглощению атмосферного CO₂».

Ещё одна обратная связь может быть связана с тем, что Emiliania является одним из основных продуцентов диметилсульфида — летучего газа, который считается охлаждающим агентом в климатической системе. В то время как высокие концентрации этого газа были зафиксированы в мезокосмах с цветением Emiliania, они были значительно снижены в мезокосмах, моделирующих будущие условия. Меньшее поглощение CO₂ океаном и снижение производства охлаждающего агента диметилсульфида работают в одном направлении, уменьшая способность океана смягчать глобальное потепление.

Результаты этого исследования демонстрируют важность изучения эффектов закисления океана в естественных сообществах. Небольшие изменения в метаболической активности организма могут иметь серьёзные последствия для его успеха в естественной среде обитания, где он конкурирует с другими видами и сталкивается с потерями из-за хищничества или вирусной инфекции. «Если Emiliania huxleyi не сможет сохранить свою важную роль, её место займут другие, возможно, не кальцифицирующие организмы. Это может инициировать сдвиг режима с далеко идущими экологическими и биогеохимическими последствиями», — заключает профессор Рибезелль.