Фитопланктон Мирового океана играет важную роль в регулировании климата планеты. В нем содержится почти половина всего усваиваемого углерода. Процесс переработки углерода в океане происходит несколькими способами. Один из них называется «карбонатным насосом», и основной вклад в его работу вносят одноклеточные водоросли кокколитофориды. Исследователи обнаружили, что во время интенсивного цветения водорослей концентрация углекислого газа в воде повышается. Ученые Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и МФТИ разработали биооптическую модель для оценки концентрации кокколитофорид в период их интенсивного цветения. Результат работы опубликован в журнале Remote Sensing.
Сравнительное пространственное распределение клеток кокколитофорид в восточной части Черного моря. Источник: Remote Sensing
Океан является основным хранилищем углерода — его в нем в 50 раз больше, чем в атмосфере. Сам процесс поглощения, преобразования и удержания углерода делится на несколько сложных этапов. Выделим основные. Поглощение углерода на границе «океан — атмосфера», физико-химический процесс поглощения водой и дальнейший перенос из верхних слоев на дно океана осуществляются посредством «биологического углеродного насоса». За счет него глобальный экспорт оценивается в пределах от 5 до 15 × 10^15 г углерода в год. Но это далеко не все. В воде фитопланктон с помощью фотосинтеза образует органический углерод, который находится в виде клеток или растворенного органического углерода, и этот процесс называется «органическим насосом». За его работу в море в основном отвечают диатомовые водоросли. Однако в океане эволюция предложила еще один биологический способ фиксации углерода — уже с помощью «карбонатного насоса» с образованием минералов кальцита. Здесь важными исполнителями являются кокколитофориды, которые обладают одним важным свойством — формированием кальцитной клеточной оболочки, раковины из отдельных пластинок — кокколитов. Важным свойством реакции образования кальцита является высвобождение молекулы CO2, которая растворяется в воде и тем самым повышает парциальное давление углекислоты, что приводит к снижению растворимости атмосферной углекислоты. Другими словами, если «органический насос» снижает парциальное давление углекислого газа в воде, то карбонатный насос, напротив, увеличивает его. В результате во время цветения кокколитофорид концентрация углекислого газа в воде увеличивается, и, как следствие, происходит значительное уменьшение его поступления в воду из атмосферы. Именно поэтому соотношение диатомей и кокколитофорид является фундаментальным показателем, характеризующим состояние биологического углеродного насоса. Необходимо точное количественное определение их концентрации.
Кокколитофориды широко распространены по всему Мировому океану. Под их цветением понимают интенсивное развитие водорослей, когда их концентрация превышает 1 млн кл./л. В Черном море интенсивный рост численности отмечен в 1950-е годы. В начале текущего столетия их роль в структуре фитопланктона возросла, и, как было отмечено в полевых наблюдениях, в северо-восточной части Черного моря интенсивный рост наблюдается в конце мая — начале июня.
С помощью одних только судовых наблюдений единую картину распределения цветения не построить. Такие возможности предоставляет дистанционное зондирование океана, которое позволяет изучать цветение в широком диапазоне пространственных и временных масштабов. Более того, только методы дистанционного зондирования дают данные, необходимые для создания глобальных моделей потока углерода из верхних слоев в глубины океана. Кокколитофориды отличаются от других видов фитопланктона сильным слабоселективным (интенсивность рассеянного света слабо зависит от длины волны) светорассеянием, что позволяет наблюдать цветение по данным спутниковых сканеров цвета океана. Однако данные дистанционного зондирования менее точны, для их использования требуется проверка и настройка соответствующих алгоритмов по данным судовых измерений.
«Наша исследовательская группа ежегодно проводит целый комплекс измерений параметров морской воды в Голубой бухте Черного моря. Работа включает регистрацию значений показателей поглощения и ослабления света морской водой, а также коэффициента яркости водной толщи. Последний параметр представляет собой цвет толщи морской воды. Полученную информацию мы связываем с данными, поступающими со спутников. Лето 2022 года было интересно для наблюдений благодаря необычайно интенсивному цветению кокколитофорид. У клеток этого вида фитопланктона белая кальцитовая (CaСО3) оболочка. Из этого же материала состоит мел. Она сильно рассеивает свет, за счет этого их можно увидеть не только с самолета и спутника, но и непосредственно человеческим глазом.
Чем в целом интересны кокколитофориды? Они могут оказывать влияние на климат, так как существенно меняют значения альбедо водной толщи, определяющее долю отраженной солнечной энергии. Когда этих клеток становится больше, то больше света рассеиваются обратно в атмосферу и не проникает в водную толщу, что препятствует ее нагреву. Они также являются важной частью углеродного цикла — образование кальцитовых скелетов влияет на обмен CO2 между океаном и атмосферой. После своей гибели клетки тонут, что приводит к осаждению углерода на дно», — рассказывает Дмитрий Глуховец, руководитель лаборатории оптики океана Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, доцент кафедры термогидромеханики МФТИ.
Ранее на основе биооптических измерений 2004–2008 гг. был разработан региональный алгоритм оценки концентрации кокколитофорид для северо-восточной части Черного моря. С помощью этого алгоритма построены среднемесячные карты и диаграммы за период 1998–2023 гг., которые представлены в открытом доступе в Атласе биооптических характеристик Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН. Однако в картах концентрации кокколитофорид в большинстве случаев не превышали 2,5 × 10^6 клеток на литр. Это существенно ниже тех значений, которые ученые наблюдали в период интенсивного цветения.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-77-10059 и проект № 22-17-00066).
Институт океанологии РАН — базовая организация кафедры термогидромеханики океана ФАКТ МФТИ. Физические процессы в океане и атмосфере, работа с базами данных, визуализация результатов и их анализ, морская геология, а также исследования морских экосистем и биохимических показателей в океане — далеко не полный перечень задач, которыми занимаются студенты и сотрудники кафедры. Начать заниматься исследованиями можно в бакалавриате или после поступления в магистратуру или аспирантуру ФАКТ МФТИ.
