Биология

Группа европейских ученых, дрейфуя в Северном Ледовитом океане во время экспедиции MOSAiC, зафиксировала фотосинтез у подледных микроводорослей, которым хватило рекордно малого количества солнечного света. Новые данные опустили порог возможного фотосинтеза в четыре раза и приблизили его к теоретическому минимуму.

Львиную долю всей биомассы на Земле составляют растения — согласно подсчетам 2018 года, они занимают 80% всего живого. Для успешного существования растениям нужны условия, подходящие для фотосинтеза. Но большую часть поверхности планеты занимает вода, а в океанах и морях фотосинтез может происходить только в эвфотической зоне, слое, куда достают солнечные лучи. В этой толще образуется до 90% атмосферного кислорода, поэтому ее объем — ключевой фактор в расчетах первичной продукции, то есть органики в океане.

Нижняя граница эвфотической зоны проходит на глубине, куда проникает лишь 1% солнечного света, то есть 20 микромолей фотонов на квадратный метр в секунду (на поверхности этот уровень обычно равен 2000 микромолям). Хотя теоретически минимальное количество света для прироста органики должно составлять около 0,01 микромоля фотонов на квадратный метр в секунду, на практике еще не выяснили, насколько глубоко этот порог простирается, где точная граница, после которой фотосинтез невозможен.

Для водорослей, живущих подо льдами, фиксировали минимальные значения солнечного света в 0,17 микромоля фотонов на квадратный метр в секунду, что все еще выше теоретической границы. Однако недавно группа европейских исследователей Арктики обнаружила, что морские одноклеточные водоросли способны наращивать биомассу при среднесуточной освещенности, близкой к теоретическому минимуму. Этот уровень рекордный и на порядок ниже предыдущих наблюдений. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Арктическая экспедиция MOSAiC собирала данные с сентября 2019-го по октябрь 2020 года. Исследовательское судно дрейфовало по Северному Ледовитому океану вместе со льдинами, пока ученые собирали пробы водной толщи и морского льда. Затем специалисты измеряли, сколько микроводоросли синтезировали новых клеток, первичной продукции (по фиксации изотопа углерод-14), а также определяли концентрацию хлорофилла а — самой распространенной формы хлорофилла.

Последний метод показал, что фотосинтез у диатомовых водорослей начался 28 марта 2020 года — их пробы собрали с глубины 11 метров подо льдом — и продолжался следующие семь дней. Другие пробы с глубины 20 метров подтвердили эту дату: световая микроскопия выявила, что количество клеток диатомей (в основном Pseudo-nitzschia) увеличилась после 28 марта.

Далее ученые измерили уровень освещенности, при которой начался фотосинтез, в верхнем 50-метровом слое воды. Датчики зафиксировали, что 28 марта среднесуточный уровень солнечного света достигал 0,04 ± 0,02 микромоля фотонов на квадратный метр в секунду. После этого по экспоненте выросла концентрация хлорофилла а, что, как подчеркнули авторы статьи, стало прямой реакцией на появление света. Ведь другие источники энергии (дыхание и поглощение органики) были доступны зимой, но накопление биомассы началось именно на свету.

Если сравнить новые данные с предыдущими наблюдениями, то известный порог освещенности, при котором возможен фотосинтез, снизился в четыре раза и приблизился к теоретическому минимуму. В то же время почти вдвое углубилась зона, где этот процесс доступен, — с 23 до 54 метров (при учете коэффициента затухания).

Как отметили специалисты, результаты исследования доказывают, что эволюция до удивительной степени оптимизировала эффективность фотосинтеза.