Коли величезні простори Північного Льодовитого океану – одного з найвіддаленіших і найменш вивчених морів нашої планети – втрачають свій морський лід через зміни клімату, сонячне світло проникає глибше у воду. Це, зі свого боку, стимулює ріст крихітних рослиноподібних організмів, відомих як фітопланктон. Проте для процвітання цим мікроскопічним мешканцям океану потрібен азот – життєво важлива поживна речовина, яка для морського життя є свого роду добривом.
Невидимі працівники океану
Досі азот потрапляв до Арктики кількома відомими шляхами: річками, що несуть поживні речовини із суші, частинками, що випадають з атмосфери, а також океанськими течіями з Атлантичного та Тихого океанів. Донедавна науковці вивчали ці джерела азоту здебільшого за допомогою хімічних і фізичних методів. Однак тепер їхня увага прикута до мікробів – невидимих працівників, що допомагають переробляти азот. Деякі мікроби, наприклад, здатні перетворювати аміак у придатні форми за допомогою процесів, таких як нітрифікація.
Проте ще більш захопливим є відкриття азотфіксації – процесу, за якого певні мікроорганізми, так звані діазотрофи, перетворюють атмосферний газоподібний азот на амоній – форму, яку може використовувати фітопланктон. Раніше вважалося, що цей процес не відбувається в Арктиці, проте нові дані свідчать про протилежне, пропонуючи новий запас азоту для підтримки життя в цих суворих умовах. Діазотрофи – це унікальні мікроби, які відіграють виняткову роль у біосфері, “фіксуючи” азот з атмосфери, роблячи його доступним для інших форм життя.
Несподіване відкриття під арктичним льодом
Щоб зрозуміти, скільки життя Північний Льодовитий океан зможе підтримувати в майбутньому, науковцям необхідно вивчити масштаби та екологічне регулювання азотфіксації, а також розподіл, активність і метаболічні функції важливих діазотрофів. Міжнародна команда вчених на чолі з Університетом Копенгагена – одного з найстаріших і найпрестижніших дослідницьких закладів Данії та всієї Північної Європи – нещодавно розкрила щось надзвичайне під арктичним морським льодом. Вивчаючи склад і експресію діазотрофів на 12 дослідницьких станціях – п’яти в центральній Арктиці з її товстим, багаторічним льодом і семи в Євразійській Арктиці з тоншим, сезонним льодом – вони виміряли швидкість азотфіксації та склад діазотрофів на різних стадіях танення морського льоду в центральній частині Північного Льодовитого океану.
Виявлене виявилося несподіваним: азотфіксація відбувалася під арктичним морським льодом, що, на думку вчених, неможливо в таких холодних водах з низьким вмістом поживних речовин. Це відкриття змінює наше розуміння життя та його виживання в Північному Льодовитому океані. Крихітні водорості – це «кухарі» океану; вони створюють енергію, що живить майже все морське життя. Проте для приготування своїх «страв» їм потрібен азот, а в Північному Льодовитому океані цього інгредієнта було обмаль.
Це нове дослідження приносить обнадійливі новини: в майбутньому Арктики може бути більше азоту, ніж раніше вважали вчені. Це означає, що водорості можуть рости у більших об’ємах, живлячи більше істот і, можливо, навіть змінюючи те, як вуглець рухається океаном. «Досі вважалося, що азотфіксація не може відбуватися під морським льодом, оскільки передбачалося, що умови життя для організмів, які здійснюють азотфіксацію, були надто бідними, – зазначила Ліза фон Фрізен, провідна авторка дослідження. – Ми помилялися».
Нові актори та їхня роль
У тепліших океанах, ближче до екватора, азот фіксується переважно групою мікробів, які називаються ціанобактеріальними діазотрофами. Ціанобактерії – це давні мікроорганізми, що здатні до фотосинтезу та відіграють важливу роль у виробництві кисню та фіксації азоту в багатьох екосистемах. Проте в крижаному серці центральної частини Північного Льодовитого океану вчені виявили дивовижний поворот: цю роботу виконують інші бактерії, що називаються неціанобактеріальними діазотрофами (NCDs).
Дослідження ґрунтується на двох наукових експедиціях у різних регіонах Північного Льодовитого океану. Під час цих двох дослідницьких місій вчені виявили, що найвищий рівень азотфіксації відбувається на краю льоду – в зоні, де морський лід найактивніше тане. Хоча деякі бактерії можуть здійснювати азотфіксацію під льодом, вони працюють ефективніше вздовж цієї межі танення. Оскільки зміна клімату призводить до відступу морського льоду та розширення зони танення, очікується, що ці мікроби додаватимуть більше азоту до океану.
Наслідки для харчового ланцюга та клімату
У центральній частині Північного Льодовитого океану вчені виявили, що більша азотфіксація призводила до більшої первинної продукції – іншими словами, до більшої кількості їжі, виробленої крихітними водоростями. Ці показники варіювалися від низьких до помірних – від 0,4 до 2,5 наномолів азоту на літр на день. Проте в маргінальній зоні льоду, де танучий лід зустрічається з відкритою водою, ситуація була жвавішою. Азотфіксація коливалася щодня та за різних льодових умов, іноді досягаючи 5,3 наномолів на літр на день, особливо під час цвітіння фітопланктону поблизу краю льоду.
За словами фон Фрізен, це означає, що ми, ймовірно, недооцінювали майбутні прогнози щодо азоту. «Це може означати, що потенціал виробництва водоростей також був недооцінений, оскільки зміна клімату продовжує скорочувати покрив морського льоду, – додала фон Фрізен. – Оскільки водорості є основним джерелом їжі для дрібних тварин, таких як планктонні ракоподібні, яких, своєю чергою, поїдає дрібна риба, збільшення кількості водоростей може вплинути на весь харчовий ланцюг».
Крім того, нововідкрите джерело азоту може бути корисним для поглинання CO2 – принаймні регіонально. Більша кількість водоростей робить океан ефективнішим у поглинанні вуглекислого газу, що є суттєвим фактором у боротьбі зі зміною клімату. «Для клімату та навколишнього середовища це, ймовірно, гарна новина, – зауважив старший автор Лассе Ріманн. – Якщо виробництво водоростей збільшиться, Північний Льодовитий океан поглинатиме більше CO2, оскільки більше CO2 буде зв’язано в біомасі водоростей. Але біологічні системи дуже складні, тому важко робити тверді прогнози, оскільки інші механізми можуть діяти в протилежному напрямку».
Дослідження опубліковано в науковому журналі Communications Earth & Environment.
