Каждый вдох под угрозой: вещество, попадающее в океан случайно, оказалось ключом к кислороду

Кислород, который мы привыкли считать чем-то само собой разумеющимся, во многом рождается далеко от суши — в холодных водах Южного океана. Там микроскопические водоросли ежедневно преобразуют солнечный свет в энергию и выделяют кислород. Этот процесс оказывается напрямую связан с количеством железной пыли, попадающей в морскую воду. Об этом сообщает Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Почему океан влияет на каждый вдох

Морской фитопланктон — основа жизни в океане и важнейший участник глобального фотосинтеза. Эти микроскопические водоросли обеспечивают значительную долю кислорода на планете и одновременно поглощают углекислый газ из атмосферы. Подобные механизмы преобразования энергии встречаются у самых разных морских организмов — от водорослей до существ, которые способны напрямую использовать солнечный свет в своей биохимии, как это происходит у морских организмов с фотосинтезом.

Для нормальной работы фитопланктону необходимы микроэлементы, среди которых особую роль играет железо. Оно попадает в океан в основном с ветровой пылью из пустынных регионов и с талыми водами ледников. Исследование, проведённое учёными Ратгерского университета, показывает, что в обширных районах Южного океана именно нехватка железа ограничивает эффективность фотосинтеза. Это означает, что фитопланктон использует солнечный свет менее продуктивно и вырабатывает меньше кислорода.

"Каждый ваш вдох содержит кислород из океана, выделяемый фитопланктоном. Наше исследование показывает, что железо является ограничивающим фактором для способности фитопланктона вырабатывать кислород в обширных регионах океана", — говорит заведующий кафедрой бизнеса и природных ресурсов имени Беннета Л. Смита в Ратгерском университете Пол Г. Фальковски.

Что происходит при дефиците железа

Фотосинтез — это сложный процесс преобразования световой энергии в химическую, при котором кислород является побочным продуктом. Когда железа становится недостаточно, этот механизм начинает давать сбои. Скорость фотосинтеза падает, рост фитопланктона замедляется, а поглощение углекислого газа из атмосферы становится менее эффективным. Подобные изменения отражаются не только на микроскопическом уровне, но и на всей системе океанических связей, где пищевые цепочки тесно переплетены между собой.

По словам Фальковски, изменения климата могут влиять на океаническую циркуляцию и тем самым снижать поступление железа в морскую среду. Речь не идёт о прямой угрозе дыханию человека, однако последствия для морских экосистем могут оказаться значительными и затронуть многие виды.

"Фитопланктон — основной источник пищи для криля, который, в свою очередь, является базой рациона почти всех животных Южного океана. Когда железа становится меньше, сокращается пищевая цепочка, а вместе с ней — численность пингвинов, тюленей, моржей и китов", — отметил Фальковски.

Измерения прямо в океане

Долгое время роль железа в фотосинтезе изучалась в основном в лабораториях. Чтобы понять, как всё происходит в реальных условиях, ведущий автор исследования Хешани Пупулеватте в 2023–2024 годах провела 37 дней в море на борту британского научного судна. Маршрут экспедиции проходил от побережья Южной Африки до ледяной кромки круговорота Уэдделла — региона, где сходятся сложные потоки воды и формируются уникальные экосистемы, подобные тем, что определяют структуру океанических пищевых цепочек.

Учёные использовали специальные флуориметры, разработанные в Нью-Джерси, чтобы отслеживать флуоресценцию фитопланктона — сигнал, указывающий на потери энергии при нарушении фотосинтеза. В образцы воды добавляли питательные вещества и наблюдали, может ли процесс восстановиться.

"Мы хотели понять, что происходит с передачей энергии на молекулярном уровне в естественной среде", — пояснила Пупулеватте.

Результаты показали, что при дефиците железа до четверти светособирающих белков отключаются от энергетических центров клетки. Когда уровень железа восстанавливается, фитопланктон возвращает эффективность фотосинтеза и потенциал роста.

Понимание этих механизмов помогает учёным точнее прогнозировать будущее продуктивности океана и изменения глобального углеродного цикла. От микроскопических водорослей, незаметных глазу, зависит устойчивость морских экосистем и баланс процессов, поддерживающих жизнь на планете.