Небольшое количество железа в океане помогает восполнять кислород, которым мы дышим, и его потеря может незаметно изменить жизнь под водой.
Каждый второй вдох, который вы делаете, связан с крошечными океанскими водорослями, питающимися удивительно редким ингредиентом — железом. Фото: Shutterstock
В следующий раз, когда вы будете вдыхать, стоит помнить, что источником большей части кислорода являются микроскопические морские водоросли. Их способность вырабатывать кислород в процессе фотосинтеза поддерживается железной пылью, которая оседает в море.
Новое исследование, проведенное Рутгерским университетом, опубликованное в журнале Proceedings of National Academy of Sciences, дает более четкое представление о том, как работает этот важнейший процесс и почему он важен для жизни на Земле.
Железо и кислород, производимые океаном
Морской фитопланктон — это крошечные водоросли, которые составляют основу океанских пищевых сетей. Для роста и функционирования этим организмам требуется железо, жизненно важный микроэлемент. Железо попадает в океаны в основном через пыль, переносимую по воздуху из пустынь и засушливых регионов, а также через талую воду, выделяемую ледниками.
«Каждый второй вдох, который вы делаете, содержит кислород из океана, выделяемый фитопланктоном», — сказал Пол Дж. Фальковски, заведующий кафедрой бизнеса и природных ресурсов университета Беннетта Л. Смита в Рутгерсе, Нью-Брансуик, и соавтор исследования. «Наше исследование показывает, что железо является фактором, ограничивающим способность фитопланктона вырабатывать кислород в обширных районах океана».
При недостатке железа фотосинтез замедляется или прекращается вовсе. Фотосинтез — это процесс преобразования световой энергии в химическую с выделением кислорода. Когда этот процесс замедляется, фитопланктон растет медленнее, поглощает меньше солнечного света и удаляет меньше углекислого газа из атмосферы.
Изменение климата и его влияние на морскую флору и фауну
По словам Фальковски, все больше свидетельств указывают на то, что изменение климата изменяет структуру океанической циркуляции и уменьшает количество железа, поступающего в море. По его словам, хотя снижение уровня железа не помешает людям дышать, оно все же может иметь серьезные последствия для морских экосистем.
«Фитопланктон является основным источником пищи для криля, микроскопических креветок, которые являются основным источником пищи в Южном океане практически для всех животных, включая пингвинов, тюленей, моржей и китов», — сказал Фальковски. «Когда уровень железа падает и количество пищи, доступной для этих животных высшего уровня, уменьшается, в результате этих величественных созданий становится меньше».
На протяжении десятилетий ученые подозревали, что железо играет ключевую роль в фотосинтезе. Однако большинство ранних исследований основывались на лабораторных экспериментах, что оставляло серьезные вопросы о том, как этот процесс протекает в открытом океане.
Изучение фотосинтеза в Открытом океане
Чтобы лучше понять условия реального мира, ведущий автор Хешани Пупулеватте, аспирант-исследователь кафедры химии и химической биологии, работающий в лаборатории Фальковского, провел 37 дней в море в 2023 и 2024 годах. Она путешествовала на борту британского исследовательского судна через Южную Атлантику и Южный океан, двигаясь от побережья Южной Африки к краю ледовой зоны круговорота Уэдделла и обратно.
Во время путешествия Pupulewatte использовала специальные флюорометры, изготовленные Максом Горбуновым из лаборатории Фальковского в кампусе Кука в Нью-Брансуике. Эти приборы измеряли флуоресценцию, которая отражает энергию, выделяемую фитопланктоном при нарушении фотосинтеза. Она также добавила питательные вещества в собранные образцы, чтобы посмотреть, может ли возобновиться фотосинтез.
«Мы хотели узнать, что на самом деле происходит с процессом передачи энергии на молекулярном уровне фитопланктона в естественных условиях», — сказала она.
Как нехватка железа приводит к потере энергии
Измерения показали, что при дефиците железа до 25% белков, улавливающих свет, «отсоединяются» от структур, которые преобразуют эту энергию в пригодные для использования химические формы. Это снижает эффективность использования фитопланктоном солнечного света. Когда железо снова становится доступным, водоросли могут восстановить эти системы, улучшая потребление энергии и поддерживая рост.
«Мы продемонстрировали результаты воздействия железа на фитопланктон в океане, даже не доставляя образцы в лабораторию для проведения молекулярной экстракции с использованием флуоресцентных измерений, проведенных в море», — сказала она. «Таким образом, мы смогли показать, что при ограничении потребления железа на флуоресценцию тратится гораздо больше энергии».
Более глубокое понимание того, как железо контролирует фотосинтез на молекулярном уровне, может помочь исследователям лучше прогнозировать изменения продуктивности океана и сдвиги в глобальном углеродном цикле, — добавила она.