Naukowcy odkryli, że drobne organizmy oceaniczne przenoszone są na głębsze wody przez prądy zwane intruzami, odgrywające znaczącą rolę w ekosystemie oceanicznym.
Odkrycia te podważają tradycyjne poglądy na temat transportu węgla i ujawniają, że intruzje transportują nie tylko węgiel, ale także żywiące się nim drobnoustroje. Proces ten, obserwowany przez cały rok w oceanach subtropikalnych, może również wpływać na przyszły wpływ zmiany klimatu na oceaniczne składowanie dwutlenku węgla.
Prądy oceaniczne i transport drobnoustrojów
Drobne organizmy, takie jak fitoplankton i bakterie, są znoszone z oświetlonej słońcem powierzchni do głębszych, ciemniejszych głębin oceanu przez prądy podwodne, odgrywając znaczącą rolę w wpływaniu na chemię i ekosystem oceanu.
Tak wynika z nowych badań opublikowanych w czasopiśmie „ Postępowanie Narodowej Akademii Naukktóry przeprowadzono podczas trzech rejsów badawczych w latach 2017–2019 w subtropikalnych regionach Morza Śródziemnego. W badaniu odkryto, że niektóre mikroskopijne organizmy jednokomórkowe, które mają zbyt dużą pływalność, aby zanurzyć się na głębokość większą niż około 100 metrów, są przenoszone na głębsze wody, gdzie brak światła słonecznego uniemożliwia im przewodzenie fotosynteza potrzebne do wzrostu, życia i jedzenia.
„Odkryliśmy, że ponieważ organizmy te są tak małe, mogą być porywane przez prądy oceaniczne, które następnie sprowadzają je głębiej niż tam, gdzie rosną” – powiedziała Mara Freilich, adiunkt w Wydziale Matematyki Stosowanej i Wydziale Ziemi, Środowiska na Uniwersytecie Browna i Planetary Sciences, który rozpoczął pracę jako doktorat. student wspólny program na MIT oraz Instytut Oceanograficzny Woods Hole. „Dla tych organizmów często jest to podróż w jedną stronę, ale podejmując tę podróż, odgrywają one kluczową rolę w łączeniu różnych części oceanu”.
Freilich przeprowadziła badania w trakcie doktoratu. z Amalą Mahadevan, starszym naukowcem w Woods Hole, w ścisłej współpracy ze starszym naukowcem z Marine Biological Laboratory Alexandrą Z. Worden i jej zespołem.
Transport węgla i intruzje oceaniczne
Prądy, które odkrył zespół, nazywane są intruzami i zamiatając drobne organizmy, pomagają zmienić rodzaj pożywienia dostępnego w głębszych warstwach oceanu, jednocześnie transportując znaczną ilość węgla z powierzchni wody. Pomaga to w wyżywieniu innych organizmów w łańcuchu pokarmowym oceanu i zwiększa złożoność ekosystemu na większych głębokościach, wpływając na życie i chemię pod wodą.
Podsumowując, badanie podważa konwencjonalne rozumienie sposobu, w jaki węgiel przekształcany w materię organiczną w procesie fotosyntezy w nasłonecznionej warstwie oceanu jest transportowany na głębokość.
„Większość fotosyntezy – podczas której światło przekształca się w węgiel organiczny będący źródłem pożywienia dla organizmów żywych – zachodzi w górnych 50 metrach oceanu, dlatego zawsze pojawiało się pytanie: w jaki sposób węgiel związany w procesie fotosyntezy dostaje się do głęboki ocean?” – stwierdził Freilich. „Zawsze uważano, że jedyną odpowiedzią na to pytanie jest zatapianie cząstek bogatych w węgiel. Odkryliśmy jednak, że maleńkie, jednokomórkowe organizmy zostają złapane przez prąd oceaniczny, tworząc intruzje… Takie intruzje są znaczącą cechą oceanu subtropikalnego — chociaż rozciągają się na dziesiątki kilometrów w bok, schodzą także na setki metrów w pionie, przynosząc ze sobą komórki i węgiel. Mechanizm ten nie został uwzględniony w poprzednich szacunkach dotyczących transportu dwutlenku węgla.”
Naukowcy odkryli, że intruzje występują przez cały rok i pochodzą z obszarów bogatych w biomasę, w tym tam, gdzie występuje najwyższe stężenie organizmów roślinopodobnych. Wcześniej sądzono, że prądy oceaniczne przenoszą węgiel na głębokość jedynie sezonowo. Naukowcy sugerują, że wtargnięcia te są szeroko rozpowszechnione w subtropikalnych oceanach świata. Zapewniają przewody do ciągłego transportu węgla i tlenu z oświetlonego słońcem oceanu na głębokość.
Dynamika mikrobiologiczna głębin oceanicznych
„Zaobserwowaliśmy społeczności drobnoustrojów, które do głębokości 200 metrów wyglądały jak społeczności drobnoustrojów na powierzchni” – powiedział Freilich. „Uważamy, że w innych regionach zjawisko to może być znacznie głębsze. Ku naszemu zdziwieniu odkryliśmy, że większość drobnoustrojów we wtargnięciach to bakterie żywiące się węglem związanym przez komórki fotosyntetyzujące. Pokazało to, że większość biomasy transportowanej z warstw nasłonecznionych składała się z drobnoustrojów niefotosyntetyzujących”.
W ramach współpracy między USA, Hiszpanią i Włochami naukowcy odbyli trzy podróże do subtropikalnego Oceanu Śródziemnego w celu przeprowadzenia badań. Użyli specjalnych narzędzi do pomiaru takich właściwości, jak temperatura wody, zasolenie i liczebność drobnych organizmów na różnych głębokościach. Analizy przeprowadzone we współpracy z ekologiem drobnoustrojów Alexandrą Worden z Morskiego Laboratorium Biologicznego pomogły wykazać różnice między próbkami intruzów a wodami tła. Zaobserwowanie, że zbiorowiska drobnoustrojów w próbkach pochodzących z głębszej intruzji przypominały zbiorowiska drobnoustrojów powierzchniowych, pokazało, że były one transportowane na głębokość. Naukowcy wykorzystali także modele komputerowe do symulacji prądów oceanicznych, aby odkryć, w jaki sposób zbiorowiska maleńkich roślin i bakterii poruszają się w wodzie.
„Dzięki solidnym danym z Morza Śródziemnego ustanawiającym ten proces trójwymiarowych przewodów jako mechanizm przenoszenia drobnoustrojów powierzchniowych do ciemnego oceanu w ciepłych wodach, byliśmy w stanie dostrzec ślady podobnego eksportu w głównych regionach otwartego oceanu” – powiedział Worden .
Oprócz podkreślenia ekologicznego znaczenia wtargnięć w kształtowaniu różnorodności biologicznej oceanów, badanie porusza również kwestię wpływu zmian klimatycznych na wtargnięcia. Uważa się, że w miarę ocieplania się oceanów Ziemi udział węgla w maleńkich komórkach będzie wzrastał, a transport w intruzjach może nie być tak zakłócony, jak inne mechanizmy przenoszące węgiel na głębokość. Intruzje zmieniają nasze rozumienie sposobu, w jaki węgiel przemieszcza się w oceanie i mogą pomóc w regulacji magazynowania węgla i dynamiki mikrobiologicznej w głębinach oceanu.
Przyszłe implikacje dla badań nad klimatem
„Teraz, kiedy to znaleźliśmy, jest o wiele więcej do odkrycia” – powiedział Freilich. „Następną rzeczą jest wykorzystanie tego, czego się tutaj nauczyliśmy, i ustalenie, czy możemy wykorzystać to do przewidzenia, jak zmiany w składzie społeczności drobnoustrojów wpłyną na transport węgla i globalny obieg węgla w zmieniającym się klimacie”.
Odniesienie: „Intruzje 3D transportują aktywne zbiorowiska drobnoustrojów powierzchniowych do ciemnego oceanu”: Mara A. Freilich, Camille Poirier, Mathieu Dever, Eva Alou-Font, John Allen, Andrea Cabornero, Lisa Sudek, Chang Jae Choi, Simón Ruiz, Ananda Pascual , J. Thomas Farrar, TM Shaun Johnston, Eric A. D’Asaro, Alexandra Z. Worden i Amala Mahadevan, 2 maja 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2319937121
