Железо — элемент, который в небольших количествах необходим всем организмам. На суше его обычно хватает, но в океане, особенно в центральных, удаленных от континентов областях, железа крайне мало. Дефицит этого элемента нередко ограничивает развитие фитопланктона — микроскопических планктонных водорослей, связывающих в процессе фотосинтеза углекислый газ. Считалось, что в те немногие места в центральных районах океана, где продуктивность фитопланктона достаточно высокая, железо попадает с пылью, приносимой ветрами с континентов. Однако недавно французские ученые совместно с коллегами из других стран показали, что пятна «цветения» (участки массового развития фитопланктона) в отдаленных областях океана могут полностью обеспечиваться железом, поступающим не сверху (с пылью из атмосферы), а снизу — из более глубоких слоев водной толщи. В частности, такой весьма обширный участок повышенной продуктивности находится над Кергеленским плато — в Южном океане, между Австралией и Африкой. Благодаря сравнительно небольшой глубине (600 м) железо здесь долго не выходит из биологического круговорота и многократно используется фитопланктоном, поддерживая высокую его продуктивность. Соответственно, здесь связывается и большое количество CO
2 — по крайней мере в 10, а может, и в 100 раз больше того, что предполагалось ранее. Не исключено, что в ледниковые периоды, когда уровень океана существенно понижался, увеличение продукции фитопланктона и соответствующее усиление связывания CO
2 атмосферы происходило в значительной мере за счет интенсивного поступления железа снизу — из придонных областей, а не только сверху — за счет приносимой с суши пыли.
Непрекращающиеся в научной литературе споры о том, почему в атмосфере столь быстро растет содержание углекислого газа (CO2) и насколько это связано с хозяйственной деятельностью человека, в значительной мере объясняются тем, что баланс CO2 плохо сводится. Если бы весь углекислый газ, выделяющийся при сжигании ископаемого топлива, оставался в атмосфере, его концентрация была бы выше, чем реально наблюдаемая. Поэтому и ведут ученые всего мира поиск «недостающего стока» (missing sink), иначе говоря — тех мест на суше и в океане, где CO2 мог бы связываться в большем количестве, чем это сейчас предполагается.
Воды океана за год поглощают огромное количество CO2, но почти столько же отдают обратно в атмосферу. Превышение поглощения над выделением наблюдается только в тех местах, где часть углерода из поверхностных вод перемещается в глубинные воды и донные осадки. Важную роль в этом процессе играет так называемый «биологический насос» (biological pump). Суть его в том, что фитопланктон (совокупность микроскопических водорослей и цианобактерий), связывающий в процессе фотосинтеза CO2, образует органическое вещество, которое обеспечивает почти всю остальную жизнь в океане, и часть этого вещества всегда «экспортируется» из поверхностных вод. В частности, немаловажную роль играют планктонные животные, которые совершают вертикальные миграции, перемещаясь в более глубокие слои, где нередко становятся жертвами хищников, не поднимающихся к поверхности. Кроме того, в ходе своей жизнедеятельности планктонные ракообразные образуют фекальные комочки («пеллеты»), которые, будучи довольно тяжелыми, опускаются на большую глубину и транспортируют туда углерод органического вещества.
Те районы океана, где наблюдается высокая первичная продукция фитопланктона и где, соответственно, создается много органического вещества, потенциально могут быть местами «стока» атмосферного углерода. Они занимают сравнительно небольшую часть акватории Мирового океана и располагаются в Северной Атлантике, в северной части Тихого океана, в Южном океане (пространстве вокруг Антарктиды), а также в прибрежных районах. Большая же часть океанических пространств характеризуется очень низкой первичной продукцией, поскольку там не хватает прежде всего основных биогенных элементов (nutrients) — азота и фосфора (см. карту распределения первичной продукции).
Однако есть в океане и такие участки, где основные биогенные элементы (азот и фосфор) присутствуют в достаточном количестве, а продукция фитопланктона всё равно сохраняется очень низкой. В англоязычной научной литературе их обозначают аббревиатурой HNLC (high-nutrient low-chlorophyll) — то есть много биогенов — мало хлорофилла. По всей видимости, первичная продукция в подобных местах ограничена не азотом и фосфором, а каким то другими элементом. Таким лимитирующим элементом часто оказывается железо. На суше железа обычно более чем достаточно, а вот в океане, в местах, удаленных от берегов, его может быть очень мало. Ведь попадает оно сюда только с пылью, приносимой с далеких континентов. В 1990-е годы гипотеза нехватки железа как основного фактора, ограничивающего развитие фитопланктона в районах HNLC, была проверена экспериментально. Железо в виде растворов соли вносили непосредственно в верхний слой водной толщи, а в ответ на эту добавку действительно возрастала продукция фитопланктона (cм.: Iron fertilization of HNLC regions). Родилась даже довольно фантастическая (но не лишенная смысла) идея повысить продукцию фитопланктона — и таким образом увеличить связывание в океане атмосферного СО2 — путем искусственного удобрения некоторых районов железом!
И вот недавно в журнале Nature появилась статья Стефана Блена (Stephane BLAIN) и других исследователей из Океанологического центра при Университете Средиземноморья в Марселе, а также других научных учреждений Франции, Бельгии, Нидерландов и Австралии (всего 47 авторов!), которая подводит итоги краткого, но необычайно интенсивного исследования круговорота железа в районе Кергеленского плато (см.: Kerguelen Plateau), примерно посередине между южными оконечностями Африки и Австралии. Именно здесь формируется обширное, площадью около 45 000 км2, «пятно цветения» — область массового развития фитопланктона. Причина, по-видимому, в том, что непосредственно над плато глубина океана сравнительно невелика — около 600 м, и это создает предпосылки для довольно интенсивного обмен веществом между поверхностными и более глубокими слоями водной толщи.
Работы проводили в течение месяца — в январе-феврале, в самый разгар лета Южного полушария. Сведения о распределении фитопланктона получали непрерывно благодаря дистанционным замерам хлорофилла со спутников. А на основании спутниковых данных выбирали места взятия проб (станции) с борта научно-исследовательского судна «Марион Дюфресн» (Marion Dufresne), которое буквально бороздило район исследований (маршруты и станции показаны на карте), позволяя сравнить ситуацию в «пятне цветения» и вне его, в типичном районе HNLC. Авторы обсуждаемой работы показали, что железо фактически не выходит из водной толщи: при разложении (минерализации) органического вещества оно высвобождается и может использоваться для нового синтеза. Эффективность использования железа для создания того органического вещества, которое всё же экспортируется из поверхностных вод (и тем самым способствует поглощению океаном дополнительного количества СО2), оказалась по крайней мере в 10, а возможно, и в 100 раз, выше той, что предполагалась ранее на основании опытов с искусственным удобрением океанических вод железом.
Полученные результаты важны и для понимания процессов, происходивших в прошлом, во время ледниковых периодов, когда уровень океана сильно понижался (на 100–200 м), а продукция фитопланктона возрастала, что приводило к снижению содержания углекислого газа на 60-80 ppm. Cчиталось, что необходимое для фитопланктона железо поступало в океан «сверху», с пылью, приносимой ветрами с суши. Но в свете новых данных следует предполагать, что не менее важным было и «удобрение» железом «снизу», за счет поступления его в круговорот из нижележащих слоев водной толщи.
Похожие статьи:
