Обычно считается, что ионы бикарбоната HCO₃^–, образующиеся на суше в результате выветривания известняков и переносимые речным стоком в океан, связываются мелкими планктонными организмами (прежде всего кокколитофоридами и фораминиферами), которые используют их для построения своих скелетов из карбоната кальция CaCO₃. Проводимая ими реакция в общей форме может быть записана как:

Ca²⁺ + 2HCO₃^– – CaCO₃ + CO₂ + H₂O            (1)

Общее количество углерода, осаждаемого таким образом в океане за год, по разным оценкам, составляет от 0,7 до 1,4 Пг (петаграмм, 10¹⁵ г) в год.

Кристаллы карбоната на поверхности кишечного эпителия европейской речной камбалы (Platichthys flesus) под сканирующим электронным микроскопом. Длина масштабной линейки — 20 мкм. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Подозрение, что определенную роль в этом процессе могут играть костистые рыбы, возникло совсем недавно, после того, как в 1990-х годах было обнаружено, что ряд морских рыб образуют в кишечнике кристаллы CaCO₃. Происходит это из-за того, что костистые рыбы (в отличие от хрящевых, к которым относятся акулы и скаты) для поддержания в своих тканях нормального осмотического давления (см.: осморегуляция) вынуждены всё время пить морскую воду. Проходя через кишечник, эта вода приобретает щелочную реакцию (pH 8,5–9,2), а концентрация ионов HCO₃^– достигает в ней 50–100 мМ (миллимолей), что во много раз превышает концентрацию их в окружающей морской воде (около 2,5 мМ). В таких условиях находящиеся в воде катионы кальция и магния начинают интенсивно осаждаться, образуя в кишечнике кристаллы кальцита, которые обволакиваются слизью и выводятся из организма. Когда рыбы питаются, кристаллы карбоната выводятся вместе с фекалиями. Процесс этот для рыб очень важен, так как, с одной стороны, облегчает всасывание кишечником воды, а с другой — уменьшает потребление кальция и снижает риск образования камней в почках.

Частицы карбоната в поверхностном слое донных отложений. Снимок (электронная сканирующая микроскопия) осадка в седиментационной ловушке, установленной в Бенгальском заливе. Автор снимка Dr. Heather Stoll. Комочек кристаллов, скорее всего образовавшийся в кишечнике рыбы, выделен черным овалом. Правильные концентрические образования внизу и вверху снимка — остатки кокколитофорид. Большая часть неидентифицируемых частиц — остатки скелетов кокколитофорид и фораминифер. Длина масштабной линейки — 10 мкм. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

В качестве иллюстрации того, как быстро образуются в кишечнике рыбы карбонаты, авторы приводят данные по европейской речной камбале (Platichthys flesus) — виду, часто встречающемуся в устьях рек и выносящему широкие колебания солености. Если камбалу из речной воды (где образование в кишечнике карбонатов не происходит) перенести в морскую воду, то уже через 3 часа в кишечнике образуются кристаллы кальцита (см. выше рентгеновские снимки живой камбалы до и после перенесения в морскую воду).

Согласно имеющимся оценкам, скорость образования карбонатов у камбалы, а также у обитающей в субтропиках рыбы-жабы (Opsanus beta) составляет 18–40 микромолей углерода (C) на кг веса рыбы в час. Интенсивность этого процесса зависит от массы тела и от температуры примерно так же, как скорость метаболизма (обычно измеряемая по скорости дыхания). Более мелкие рыбы в расчете на единицу веса производят больше карбонатов, чем крупные. С повышением температуры (но в пределах нормы для данного вида рыб) скорость образования карбонатов также растет.

Соответственно, для того чтобы оценить в глобальном масштабе величину осаждения карбонатов рыбами, необходимо знать численность рыб разного размера в океане, а также приуроченность их к тем или иным температурным зонам. Авторы использовали для этого две разные (независимые) опубликованные ранее модели оценки биомассы рыб в океане и рассчитали, что связывание рыбами углерода в карбонатах составляет от 3,2 × 10¹² до 8,9 × 10¹² молей углерода или, в абсолютных единицах массы, от 0,04 до 0,11 Пг (петаграмм, 10¹⁵ г) углерода в год — то есть от 2,7 до 15,4% общего количества CaCO₃, образующегося в океане.

Схема, показывающая образование и растворение CaCO3 в океане на разных глубинах. Правая часть рисунка демонстрирует включение в этот процесс костистых рыб. Произведенный рыбами карбонат (а это 0,04–0,11 Пг углерода в CaCO3 за год) содержит много магния и, как правило, растворяется на глубинах менее 500 м, тогда как основная масса кальцита растворяется только на глубинах более одного километра. Если произведенный рыбами карбонат попадет на дно на мелководьях, он может покрыться сверху осадками и надолго выйти из круговорота. TA — total alkalinity (общая щелочность — сумма анионов слабых кислот, выраженная в микромолях HCO3–). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Однако интересна и дальнейшая судьба этого карбоната. Было известно, что по мере того, как образованный в верхних слоях океана CaCO₃ опускается вглубь, в область высокого давления и низких температур, он оказывается в среде, недонасыщенной карбонатом кальция. Равновесие компонентов реакции (1) смещается так, что она начинает идти в обратную сторону: CaCO₃ растворяется, а концентрация HCO₃^– и CO₃^2– возрастает. Общая щелочность с глубиной увеличивается.

Лизоклин (lysocline) — глубина, ниже которой кальцит очень быстро растворяется, — в Северной Атлантике приходится на 4300 м, а в Тихом океане на 750 м. Для арагонита (другой формы карбоната) эти глубины составляют, соответственно, 1500 и 500 м. Однако на самом деле оказывается, что количество и кальцита, и арагонита в воде резко снижается уже на значительно меньших глубинах. Это несоответствие реальных данных теоретическим расчетам объясняют тем, что в процессе разрушения карбоната участвуют зоопланктон и бактерии. Однако авторы обсуждаемой работы полагают, что всё дело в том, что кальцит, образованный рыбами, растворяется гораздо быстрее, поскольку содержит значительную примесь магния.

Распределение биомассы рыб по акватории океана (в граммах сырого веса под 1 м2), согласно «макроэкологической модели», предложенной Саймоном Дженнингсом (S. Jennings, et al. Global-scale predictions of community and ecosystem properties from simple ecological theory // Proc. R. Soc. London B. Biol. Sci. 2008. V. 275, P. 1375). Хорошо видно, что всё рыбное население приурочено к узким прибрежным зонам и районам апвеллингов (подъема глубинных вод, приносящих к поверхности элементы минерального питания, необходимого для фитопланктона). Примерно так же распределяется и осаждение рыбами карбонатов. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Конечно, оценивая роль рыб в осаждении карбонатов, надо учитывать крайнюю неравномерность их распределения по акватории Мирового океана. По имеющимся расчетам, 50% всей биомассы рыб приходится на акваторию, составляющую только 17% от общей площади океана. Как правило, это районы континентального шельфа и апвеллингов, где глубины не превышают 100–200 м. На таких небольших глубинах образованные рыбами карбонаты могут не успеть раствориться, а оказавшись на дне, могут быть захоронены под слоем осадков.

Распределение образования карбонатов рыбами (в lg г/м2/год) по акватории океана, согласно «макроэкологической модели». Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Сейчас, в связи с наблюдаемым увеличением содержания СО₂ в атмосфере и подкислением океанических вод, образование известковых скелетов мелкими планктонными организмами может быть затруднено, а вот роль рыб может возрасти.

Источник: R. W. Wilson, F. J. Millero, J. R. Taylor, P. J. Walsh, V. Christensen, S. Jennings, M. Grosell. Contribution of fish to the marine inorganic carbon cycle // Science. 2009. V. 323. P. 359–362.

Алексей Гиляров