Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
К. Циммер
«Микрокосм». Глава из книги


Р. Докинз
«Эгоистичный ген». Глава из книги


А. Бердников
Вдоль по лунной дорожке


В. Бабицкая, С. Горбунов
Как и зачем птицы общаются с охотниками за медом


Е. Чернова
Хаос и порядок: фрактальный мир


У. Айзексон
«Инноваторы». Глава из книги


Н. Резник
Жираф большой, ему видней, и сам он хорошо заметен


М. Софер
Куда уходит лето?


С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


В. Мацарский
Разгневанный Эйнштейн и «темный» рецензент







Главная / Новости науки версия для печати

Железо в океане помогает связать углекислый газ атмосферы


За старой шхуной Ragland остается красный след. Это Рас Джордж, бизнесмен, исследователь-любитель, а заодно и основатель фонда Planktos Foundation, вносит в воды океана около Гавайских островов раствор железной руды. Тем самым он надеется повысить продуктивность фитопланктона, который будет связывать больше углекислого газа. Фото из статьи в Nature (2003. V. 421. P. 109); © 2003 Nature Publishing Group
За старой шхуной Ragland остается красный след. Это Рас Джордж, бизнесмен, исследователь-любитель, а заодно и основатель фонда Planktos Foundation, вносит в воды океана около Гавайских островов раствор железной руды. Тем самым он надеется повысить продуктивность фитопланктона, который будет связывать больше углекислого газа. Фото из статьи в Nature (2003. V.421. P.109)

Железо — элемент, который в небольших количествах необходим всем организмам. На суше его обычно хватает, но в океане, особенно в центральных, удаленных от континентов областях, железа крайне мало. Дефицит этого элемента нередко ограничивает развитие фитопланктона — микроскопических планктонных водорослей, связывающих в процессе фотосинтеза углекислый газ. Считалось, что в те немногие места в центральных районах океана, где продуктивность фитопланктона достаточно высокая, железо попадает с пылью, приносимой ветрами с континентов. Однако недавно французские ученые совместно с коллегами из других стран показали, что пятна «цветения» (участки массового развития фитопланктона) в отдаленных областях океана могут полностью обеспечиваться железом, поступающим не сверху (с пылью из атмосферы), а снизу — из более глубоких слоев водной толщи. В частности, такой весьма обширный участок повышенной продуктивности находится над Кергеленским плато — в Южном океане, между Австралией и Африкой. Благодаря сравнительно небольшой глубине (600 м) железо здесь долго не выходит из биологического круговорота и многократно используется фитопланктоном, поддерживая высокую его продуктивность. Соответственно, здесь связывается и большое количество CO2 — по крайней мере в 10, а может, и в 100 раз больше того, что предполагалось ранее. Не исключено, что в ледниковые периоды, когда уровень океана существенно понижался, увеличение продукции фитопланктона и соответствующее усиление связывания CO2 атмосферы происходило в значительной мере за счет интенсивного поступления железа снизу — из придонных областей, а не только сверху — за счет приносимой с суши пыли.

Непрекращающиеся в научной литературе споры о том, почему в атмосфере столь быстро растет содержание углекислого газа (CO2) и насколько это связано с хозяйственной деятельностью человека, в значительной мере объясняются тем, что баланс CO2 плохо сводится. Если бы весь углекислый газ, выделяющийся при сжигании ископаемого топлива, оставался в атмосфере, его концентрация была бы выше, чем реально наблюдаемая. Поэтому и ведут ученые всего мира поиск «недостающего стока» (missing sink), иначе говоря — тех мест на суше и в океане, где CO2 мог бы связываться в большем количестве, чем это сейчас предполагается.

Воды океана за год поглощают огромное количество CO2, но почти столько же отдают обратно в атмосферу. Превышение поглощения над выделением наблюдается только в тех местах, где часть углерода из поверхностных вод перемещается в глубинные воды и донные осадки. Важную роль в этом процессе играет так называемый «биологический насос» (biological pump). Суть его в том, что фитопланктон (совокупность микроскопических водорослей и цианобактерий), связывающий в процессе фотосинтеза CO2, образует органическое вещество, которое обеспечивает почти всю остальную жизнь в океане, и часть этого вещества всегда «экспортируется» из поверхностных вод. В частности, немаловажную роль играют планктонные животные, которые совершают вертикальные миграции, перемещаясь в более глубокие слои, где нередко становятся жертвами хищников, не поднимающихся к поверхности. Кроме того, в ходе своей жизнедеятельности планктонные ракообразные образуют фекальные комочки («пеллеты»), которые, будучи довольно тяжелыми, опускаются на большую глубину и транспортируют туда углерод органического вещества.

Те районы океана, где наблюдается высокая первичная продукция фитопланктона и где, соответственно, создается много органического вещества, потенциально могут быть местами «стока» атмосферного углерода. Они занимают сравнительно небольшую часть акватории Мирового океана и располагаются в Северной Атлантике, в северной части Тихого океана, в Южном океане (пространстве вокруг Антарктиды), а также в прибрежных районах. Большая же часть океанических пространств характеризуется очень низкой первичной продукцией, поскольку там не хватает прежде всего основных биогенных элементов (nutrients) — азота и фосфора (см. карту распределения первичной продукции).

а — положение Кергеленского плато (показано звездочкой) в Южном океане; b — распределение хлорофилла в поверхностных водах в районе Кергеленского плато. Пятно «цветения» занимает площадь около 45000 км2. Благодаря реминерализации железа (повторного возвращения его в круговорот) и поддержанию высокой продукции фитопланктона здесь происходит активное связывание СО2. На рисунке b белыми линиями показаны маршруты научно-исследовательского судна «Марион Дюфресн». Белые точки с цифрами — это станции (места взятия проб) и их номера. Особенно подробно сопоставляли процессы на станции A3 (в центре пятна цветения) и C11 (за пределами пятна). Шкала справа показывает концентрацию хлорофилла «а». Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
а — положение Кергеленского плато (показано звездочкой) в Южном океане; b — распределение хлорофилла в поверхностных водах в районе Кергеленского плато. Пятно «цветения» занимает площадь около 45000 км2. Благодаря реминерализации железа (повторного возвращения его в круговорот) и поддержанию высокой продукции фитопланктона здесь происходит активное связывание СО2. На рисунке b белыми линиями показаны маршруты научно-исследовательского судна Marion Dufresne. Белые точки с цифрами — это станции (места взятия проб) и их номера. Особенно подробно сопоставляли процессы на станции A3 (в центре пятна цветения) и C11 (за пределами пятна). Шкала справа показывает концентрацию хлорофилла «а». Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Однако есть в океане и такие участки, где основные биогенные элементы (азот и фосфор) присутствуют в достаточном количестве, а продукция фитопланктона всё равно сохраняется очень низкой. В англоязычной научной литературе их обозначают аббревиатурой HNLC (high-nutrient low-chlorophyll) — то есть много биогенов — мало хлорофилла. По всей видимости, первичная продукция в подобных местах ограничена не азотом и фосфором, а каким то другими элементом. Таким лимитирующим элементом часто оказывается железо. На суше железа обычно более чем достаточно, а вот в океане, в местах, удаленных от берегов, его может быть очень мало. Ведь попадает оно сюда только с пылью, приносимой с далеких континентов. В 1990-е годы гипотеза нехватки железа как основного фактора, ограничивающего развитие фитопланктона в районах HNLC, была проверена экспериментально. Железо в виде растворов соли вносили непосредственно в верхний слой водной толщи, а в ответ на эту добавку действительно возрастала продукция фитопланктона (cм.: Iron fertilization of HNLC regions). Родилась даже довольно фантастическая (но не лишенная смысла) идея повысить продукцию фитопланктона — и таким образом увеличить связывание в океане атмосферного СО2 — путем искусственного удобрения некоторых районов железом!

Структура океана в районе Кергеленского плато. Плато располагается в 600 м от поверхности воды. Это относительно небольшая глубина, и поэтому благодаря внутренним волнам возможно некоторое перемешивание, за счет которого биогенные элементы (азот и фосфор) и железо из нижней части водной толщи поступает в верхний 80-метровый слой, где они активно расходуются фитопланктоном, дающим у поверхности вспышку численности (пятно «цветения»). Часть органического вещества водорослей и зоопланктона разлагается в верхнем слое, и дефицитные элементы питания снова используются фитопланктоном (процесс реминерализации). Но часть углерода выводится из круговорота, попадая в придонные слои и на дно (показано синей стрелкой в правой части рисунка). Рис. из статьи: Philip W. Boyd. Biogeochemistry: Iron findings // Nature. 2007. V. 446. P. 989–991
Структура океана в районе Кергеленского плато. Плато располагается в 600 м от поверхности воды. Это относительно небольшая глубина, и поэтому благодаря внутренним волнам возможно некоторое перемешивание, за счет которого биогенные элементы (азот и фосфор) и железо из нижней части водной толщи поступает в верхний 80-метровый слой, где они активно расходуются фитопланктоном, дающим у поверхности вспышку численности (пятно «цветения»). Часть органического вещества водорослей и зоопланктона разлагается в верхнем слое, и дефицитные элементы питания снова используются фитопланктоном (процесс реминерализации). Но часть углерода выводится из круговорота, попадая в придонные слои и на дно (показано синей стрелкой в правой части рисунка). Рис. из статьи: Philip W. Boyd. Biogeochemistry: Iron findings // Nature. 2007. V. 446. P. 989–991

И вот недавно в журнале Nature появилась статья Стефана Блена (Stéphane BLAIN) и других исследователей из Океанологического центра при Университете Средиземноморья в Марселе, а также других научных учреждений Франции, Бельгии, Нидерландов и Австралии (всего 47 авторов!), которая подводит итоги краткого, но необычайно интенсивного исследования круговорота железа в районе Кергеленского плато (см.: Kerguelen Plateau), примерно посередине между южными оконечностями Африки и Австралии. Именно здесь формируется обширное, площадью около 45 000 км2, «пятно цветения» — область массового развития фитопланктона. Причина, по-видимому, в том, что непосредственно над плато глубина океана сравнительно невелика — около 600 м, и это создает предпосылки для довольно интенсивного обмен веществом между поверхностными и более глубокими слоями водной толщи.

Французское научно-исследовательское судно Marion Dufresne, с борта которого вели исследования круговорота железа в районе Кергеленского плато. Фото с сайта www.extraplac.fr
Французское научно-исследовательское судно Marion Dufresne, с борта которого вели исследования круговорота железа в районе Кергеленского плато. Фото с сайта www.extraplac.fr

Работы проводили в течение месяца — в январе-феврале, в самый разгар лета Южного полушария. Сведения о распределении фитопланктона получали непрерывно благодаря дистанционным замерам хлорофилла со спутников. А на основании спутниковых данных выбирали места взятия проб (станции) с борта научно-исследовательского судна «Марион Дюфресн» (Marion Dufresne), которое буквально бороздило район исследований (маршруты и станции показаны на карте), позволяя сравнить ситуацию в «пятне цветения» и вне его, в типичном районе HNLC. Авторы обсуждаемой работы показали, что железо фактически не выходит из водной толщи: при разложении (минерализации) органического вещества оно высвобождается и может использоваться для нового синтеза. Эффективность использования железа для создания того органического вещества, которое всё же экспортируется из поверхностных вод (и тем самым способствует поглощению океаном дополнительного количества СО2), оказалась по крайней мере в 10, а возможно, и в 100 раз, выше той, что предполагалась ранее на основании опытов с искусственным удобрением океанических вод железом.

Полученные результаты важны и для понимания процессов, происходивших в прошлом, во время ледниковых периодов, когда уровень океана сильно понижался (на 100–200 м), а продукция фитопланктона возрастала, что приводило к снижению содержания углекислого газа на 60-80 ppm. Cчиталось, что необходимое для фитопланктона железо поступало в океан «сверху», с пылью, приносимой ветрами с суши. Но в свете новых данных следует предполагать, что не менее важным было и «удобрение» железом «снизу», за счет поступления его в круговорот из нижележащих слоев водной толщи.

Источник: Stéphane Blain, Bernard Quéguiner, Leanne Armand et al. Effect of natural iron fertilization on carbon sequestration in the Southern Ocean // Nature. 2007. V. 446. P. 1070–1074

См. также:
1) Азот в океане связывается там, где он теряется. «Элементы», 6.02.2007.
2) Q. Schiermeier. Climate change: The oresmen // Nature. 2003. V. 421. P. 109–110.
3) Удобрение железом районов HNLC (Iron fertilization of HNLC regions), «Wikipedia».

Алексей Гиляров


Комментировать



Последние новости: ЭкологияАлексей Гиляров

26.09
Муравьи-листорезы при уходе за потомством используют противогрибковый препарат
16.06
В Старом и Новом Свете птицы сходно реагируют на глобальное потепление
26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида
4.05
Рост концентрации CO2 в атмосфере способствует увеличению растительного покрова
24.02
Борнео — центр эндемизма птиц современной Индонезии
22.01
Дельфины помогают олушам ловить сардин
11.01
Голоценовые биосообщества изменились после расселения человека по Земле
26.11
Коммуны миролюбивых пауков погибают быстрее, чем агрессивных
12.09
Перевылов трески привел к увеличению разнообразия рыб
2.09
Бурые водоросли не подтверждают экологическую гипотезу чередования гаплоидной и диплоидной стадий

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия