Кокколитофориды — обширная группа мелких одноклеточных планктонных
водорослей, образующих на поверхности клетки ажурные известковые пластинки —
кокколиты. Кокколиты прекрасно сохраняются в ископаемом состоянии и широко
используются в стратиграфии (для корреляции отложений и установления
относительного возраста осадочных пород).
Начиная с середины мезозойской эры кокколитофориды были и остаются главными
производителями карбоната кальция в мировом океане. Из известковых скелетиков
кокколитофорид в основном состоит и всем известный писчий мел, и современные
донные отложения во многих районах океана. Считается, что рост концентрации CO2 в атмосфере в целом должен
оказывать угнетающее воздействие на морские организмы с известковым (кальцитовым) скелетом, такие как кораллы, фораминиферы и
кокколитофориды. Растворяясь в воде, углекислый газ превращается в угольную
кислоту (H2CO3), что повышает кислотность воды.
В принципе, это должно повышать растворимость кальцита и негативно сказываться
на организмах с кальцитовым скелетом. Однако в действительности всё гораздо
сложнее, особенно когда речь идет об организмах, которые, подобно
кокколитофоридам, не только образуют кальцитовый скелет, но еще и
фотосинтезируют.
Угольная кислота, реагируя с ионами карбоната (CO32–) и
молекулами воды, образует ионы гидрокарбоната (HCO3–).
Снижение концентрации CO32– снижает величину насыщенности
океана кальцитом (Ω-cal); если Ω-cal опускается ниже единицы, кальцит
растворяется. С другой стороны, тот же самый процесс ведет к росту концентрации
ионов гидрокарбоната, которые служат «строительным материалом» для построения
кальцитового скелета кокколитофоридами:
Ca2+ + 2HCO3– → CaCO3 + CO2 + H2O
Изъятие из воды CaCO3, идущего на построение скелета, ведет к
снижению pH и стимулирует — через короткую цепочку причинно-следственных
связей — обратный выход CO2 из океана в атмосферу. Добавим к этому
фотосинтез, в ходе которого CO2 активно изымается из воды и
включается в состав органических веществ. Не забудем и о том, что после смерти
кокколитофориды тонут, причем массивный кальцитовый скелет может играть роль
груза, и поэтому от его массы может зависеть скорость изъятия органического и
неорганического углерода из верхних слоев воды. В итоге получается весьма
запутанная система связей и взаимодействий, которую не так-то просто
моделировать и прогнозировать. Особенно если учесть, что интенсивность как
фотосинтеза, так и кальцификации (образования известковых скелетов) у разных
организмов зависит не только от абиотических условий (pH, Ω-cal, концентрации
CO2, CO32–, HCO3–,
температуры, освещенности и т. д.), но и от генетических и физиологических
особенностей.
Поэтому у науки до сих пор нет однозначных ответов на ряд весьма актуальных
вопросов. Прежде всего хотелось бы знать, как реагируют — и как будут
реагировать в будущем — морские организмы с известковым скелетом на
продолжающийся рост концентрации CO2, и каким образом эта их реакция
скажется на составе атмосферы и климате. Чтобы это понять, нужно прежде всего
выяснить, как зависят процессы кальцификации и фотосинтеза от
концентрации CO2 у наиболее массовых представителей фитопланктона,
в первую очередь у кокколитофорид.
Большинство специалистов склонны считать, что рост
концентрации CO2 должен снижать интенсивность кальцификации у морских
организмов, в том числе у кокколитофорид. В ряде экспериментов на живых
культурах кокколитофорид это предположение вроде бы подтвердилось. Однако группа
океанологов и гидробиологов из Великобритании, Франции и США обратила внимание
на то, что большинство таких экспериментов были проведены не совсем корректно:
уровень pH в них регулировался путем добавления в воду небольших количеств
кислоты или щелочи. Более реалистичную модель тех процессов, которые происходят
в океане в наши дни и будут происходить в будущем в связи с ростом
концентрации CO2, можно получить, пропуская через воду пузырьки
углекислого газа.
Именно так и поступили исследователи. Они изучили рост клеток самого
массового вида кокколитофорид Emiliania huxleyi при различных
концентрациях растворенного CO2 — от существовавших до начала
промышленной революции до тех, которые ожидаются к концу нынешнего века
(примерно втрое более высоких).
Оказалось, что по мере роста концентрации CO2 кокколитофориды
уверенно наращивают как производство биомассы (измерялось количество углерода,
включенного в состав органического вещества клеток), так и кальцификацию
(измерялось количество углерода, включенного в состав скелетов). Скорость роста
клеток несколько снизилась, однако сами клетки стали крупнее, а скелеты
массивнее.
Важно, что интенсивность кальцификации и фотосинтеза (то есть скорость
включения углерода в состав скелета и живой массы) росли параллельно, так что их
соотношение практически не изменилось.
Если эксперимент был поставлен правильно и результаты достоверны, то
в течение последних двух столетий средний размер кокколитов в океане должен был
существенно увеличиться.
Чтобы проверить это, авторы изучили донные отложения из Северной Атлантики.
Пробы были взяты в точке с координатами 57°27' с. ш., 27°55' з.д. на глубине
2630 м. В этом районе осадки накапливаются с необычно высокой для открытого
океана скоростью — 2,3 мм в год, что позволило весьма детально проанализировать
динамику размеров кокколитов за период с 1780-го по 2004 год.
Предположения авторов полностью подтвердились. Средняя масса кокколита
увеличилась — от 1,08 × 10–11 г в 1780 году до
1,55 × 10–11 г в 2004 году. Особенно быстрый рост начался
в 1960-е годы, что хорошо согласуется с данными по динамике
концентрации CO2.
В отложениях представлены не только кокколиты Emiliania huxleyi, но и
более десятка других видов кокколитофорид, причем количественное соотношение
разных видов практически не менялось со временем. Авторам удалось измерить
в каждой послойной пробе только среднюю массу всех кокколитов в целом (а не
каждого вида по отдельности), поэтому они не смогли определить относительный
вклад каждого вида в общее увеличение размеров кокколитов. Однако кокколиты
Emiliania huxleyi составляют в среднем лишь 3% общей массы кокколитов
в этих пробах, поэтому ясно, что с ростом концентрации CO2
скелет становится массивнее не только у этого вида, но и у других.
Таким образом, можно заключить, что рост концентрации углекислого газа не
угнетает, а, наоборот, стимулирует образование кальцитовых скелетов по крайней
мере у некоторых видов кокколитофорид в некоторых районах океана. Этот факт,
несомненно, необходимо учитывать в геохимических моделях, однако многое
по-прежнему остается неясным. В частности, необходимо выяснить, как влияет
рост CO2 на других кокколитофорид в других районах океана, как
отражается увеличение массивности скелета на скорости изъятия органического
углерода из верхних слоев воды, и многое другое.
Источник: M. Debora Iglesias-Rodriguez et al. Phytoplankton Calcification in a High-CO2 World //
Science. 2008. V. 320. P. 336–340. Текст статьи: http://elementy.ru/news/430712
|