Американские ученые проанализировали данные за последние 50 лет и установили, что в результате климатических изменений уровень фосфора в верхних слоях океана снижается, в то время как содержание азота остается неизменным, что может оказать сильное влияние на морские экосистемы. Исследование помогает лучше понять, какова роль глобального потепления в снижении благосостояния сообществ морских организмов и что это значит для глобальных экосистем. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Питательные вещества, такие как нитраты и фосфаты, очень важны для функционирования морских экосистем, поскольку определяют продуктивность фитопланктона — ключевого участника пищевых цепей в океане. Глобальные изменения климата, такие как потепление, провоцируют разделение слоев мирового океана и обособление их друг относительно друга, что снижает перемешивание водных масс и ограничивает поступление питательных веществ в верхние слои. Однако до настоящего времени не существовало практических доказательств уменьшения запасов питательных веществ в океане — подобный сценарий лишь предполагался на основе ряда математических моделей.
Теперь ученые проследили, как изменялась концентрация нитратов и фосфатов за последние 50 лет. Исследователи хотели установить, какие процессы происходят в океане в настоящее время.
Всего ученые проанализировали 31 715 вертикальных профилей нитратов и 37 549 профилей фосфатов, составленных в рамках различных международных программ в период с 1972 по 2022 годы. Вертикальные профили представляют собой наборы данных, которые отражают изменения концентрации вещества с увеличением глубины. Оценивались глубины нитраклина (слой, в котором количество нитратов после достижения определенного значения глубины, резко увеличивается) и фосфаклина (аналогично для фосфатов). Для нитратов и фосфатов были выбраны пороговые значения 3 мкмоль/кг и 3/16 мкмоль/кг соответственно. Для каждого профиля ученые искали глубину, на которой концентрация вещества достигала выбранного порога, а затем усредняли и анализировали их изменения за 50 лет. Если уровень фосфатов или нитратов, как предполагали ученые, снижается в верхних слоях океана со временем в результате потепления, то глубина нитраклина или фосфаклина должна увеличиваться.
Оказалось, что глубина фосфаклина увеличилась на 23 метра, что говорит о снижении доступности фосфор-содержащих элементов в верхних слоях океана, а глубина нитраклина осталась неизменной. Это означает, что фосфор становится менее доступным для фитопланктона, в то время как уровень нитратов остается неизменным, что нарушает баланс питательных веществ в океанических экосистемах. Скайлар Джерейс из Калифорнийского университета в Ирвине отмечает: «Могут возникать каскадные эффекты в пищевой цепи. Когда в фитопланктоне снижается содержание фосфора, он становится менее питательным, что может замедлять рост зоопланктона и рыб».
Причиной сохранения уровня нитратов является жизнедеятельность бактерий-диазотрофов, способных фиксировать атмосферный азот и преобразовывать его в нитраты. Данный процесс требует действия железосодержащих ферментов, а доступность осаждаемого на поверхность океанических вод железа в результате действий человека (промышленные выбросы) и природных процессов (вулканическая активность) увеличилась за последние десятилетия. В результате верхний слой океана оказывается обогащен нитратами, но содержит мало фосфатов, что мешает развиваться фитопланктону.
Увеличение глубины фосфаклина и снижение концентрации фосфора в верхних слоях океана могут повлиять на структуру экосистем, поскольку фитопланктон будет вынужден адаптироваться к изменившемуся соотношению биоэлементов. Это может привести к снижению продуктивности океанических пищевых цепей и изменить биогеохимические циклы, в том числе круговорот углерода. Дальнейшие исследования должны быть направлены на моделирование долгосрочных последствий изменения соотношения азота и фосфора, а также на изучение возможных механизмов адаптации к этим изменениям со стороны морских экосистем.
