Казалось бы, мало что может существовать долго в мире открытого океана. В наполненном светом поверхностном слое микроскопические водоросли преобразуют углекислый газ и воду в биомассу посредством фотосинтеза. Отдельные клетки исчезают в течение нескольких часов или дней, поглощаясь другими крошечными существами или разлагаясь микроорганизмами, такими как бактерии. Если стволы деревьев могут стоять на суше веками и даже тысячелетиями, то крошечные обитатели открытых морей исчезают практически бесследно. Вдали от берега для большинства моряков бесконечная синева океана — это все, что они могут увидеть.

Но на самом деле жизнь в море тоже оставляет неизгладимые следы. Повсюду в океане, от поверхности до морских глубин, от полярных регионов до тропиков, от приливных отмелей до дна океана, со временем накапливается невидимая смесь молекул: растворенное органическое вещество, или сокращенно РОВ.

Каждый литр морской воды содержит в среднем один миллиграмм этих водорастворимых соединений углерода. Если экстраполировать эту цифру на общий объем океанов, это означает, что в РОВ хранится около 700 миллиардов тонн углерода — больше, чем во всех живых организмах на суше и на море вместе взятых, и примерно эквивалентно количеству углекислого газа (CO).₂) в атмосфере.

Часть этого гигантского резервуара углерода невероятно прочна. «Самым старым молекулам более 10 000 лет», — отмечает профессор Торстен Диттмар. Эти соединения помогают предотвратить выброс части органического углерода из моря обратно в атмосферу в виде CO.₂. Исследователи подозревают, что этот буфер играет важную роль в регулировании естественного выброса CO.₂ содержание в атмосфере и, следовательно, в регулировании глобального климата.

Нас окружают миллиарды молекул, которые мы еще не идентифицировали.

Однако на данном этапе точно неизвестно, влияет ли растворенное органическое вещество на наш климат в масштабе от столетий до тысячелетий и каким образом. «Мы также не знаем, какие процессы определяют размер этого резервуара углерода или, наоборот, как изменение климата может повлиять на растворенное органическое вещество», — объясняет Диттмар, руководитель группы по морской геохимии, созданной в сотрудничестве с Институтом химии и биологии Морская среда (ICBM) и Институт морской микробиологии Макса Планка с 2008 года. По этой причине растворенные органические вещества не учитываются в текущих моделях климата.

Ученым известно о существовании РОВ уже более века, а также известно, что одноклеточные водоросли и другие микроорганизмы выделяют растворенные органические вещества в виде продуктов метаболизма или при гибели. Но долгое время было неясно, из каких химических соединений состоит РОВ. Аналитические методы, необходимые для определения его химического состава, отсутствовали. «Мы окружены миллиардами молекул, которые мы еще не идентифицировали, но которые контролируют обитаемость нашей планеты», — говорит Диттмар.

Идентификация этих молекул имеет решающее значение для понимания того, что с ними происходит. Только тогда исследователи смогут создать математические модели для описания взаимодействия между молекулами и окружающей их средой и, таким образом, создать основу для моделей глобального климата. Может быть, благодаря своей структуре некоторые из этих соединений сохраняются на протяжении тысячелетий? Исследователи начали находить предварительные ответы на этот вопрос более двух десятилетий назад.

В Университете штата Флорида, где Диттмар был доцентом, он и группа исследователей провели первые анализы образцов морской воды с использованием нового типа инструмента — масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения — и обнаружили тысячи различных типов органических молекул. «Это был мой личный момент эврики», — говорит Диттмар. Результаты выявили огромное – и до сих пор невообразимое – молекулярное разнообразие растворенного органического вещества.

Это побудило Диттмара копнуть глубже, хотя поначалу прогресс был медленным. Оценка данных, предоставленных масс-спектрометром, тогда заняла месяцы. Тем временем геохимик добился значительных успехов. В его лаборатории в Ольденбурге установлен самый мощный в мире масс-спектрометр сверхвысокого разрешения для морских исследований.

Его анализ молекулярных масс достаточно точен, чтобы дать возможность определить молекулярные формулы или, проще говоря, определить количество атомов таких элементов, как углерод, водород, кислород и азот, которые присутствуют в соединении. Благодаря сотрудничеству с математиками межконтинентальной баллистической ракеты и современным вычислительным мощностям сегодня исследователи могут оценить все эти данные за считанные минуты.

Результаты показывают, что каждый литр морской воды содержит миллионы различных веществ, хотя определить точное количество практически невозможно, поскольку, как показали дальнейшие эксперименты, для каждой молекулярной формулы, вероятно, существует множество различных молекулярных структур. Другой метод, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, показал, как связаны между собой некоторые элементы в молекулах, что дает ключ к пониманию молекулярной структуры. Исследовательская группа Диттмара в настоящее время создает новую лабораторию, в которой будет размещен большой инструмент, необходимый для дальнейшего исследования.

Предположительно, процессы на дне океана аналогичны процессам в толще воды.

Все эти данные дают представление о разнообразном мире долгоживущих органических молекул. В этом мире микроорганизмы играют решающую роль не только как источник CO.₂, но и в его хранилище. Они поглощают органические вещества и используют свои инструменты — высокоспецифичные ферменты — для разрушения определенных молекулярных связей и выделения новых веществ. Эти организмы и их ферменты, среди прочего, изучают микробиологические исследовательские группы в Ольденбурге и Бремене. Вместе исследователи предоставляют ценную информацию о мире молекул и микробов с разных точек зрения.

Например, сравнительно простой эксперимент, проведенный исследователями Центра совместных исследований Roseobacter в Ольденбурге, недавно завершившего свою деятельность, иллюстрирует сложность взаимодействия микроорганизмов и молекул: результаты показали, что один вид бактерий, питающихся Один сахар в лабораторной культуре выделяет десятки тысяч малоизвестных веществ.

На основании таких экспериментов и наблюдений исследователи пришли к выводу, что долгоживущие вещества являются молекулярными отходами процессов ферментативной деградации. «Клетки активно выделяют эти вещества, потому что не могут их использовать», — объясняет Диттмар.

Согласно одной из гипотез, некоторые из этих веществ накапливаются, поскольку их молекулярная структура препятствует их дальнейшему расщеплению. Однако эта гипотеза ставится под сомнение тем, что на Земле практически нет веществ, которые не могут переработать микроорганизмы.

Следовательно, исследователи подозревают, что существует еще одна причина, по которой микроорганизмы, особенно обитающие в глубоководных водах, парадоксальным образом не используют этот обильный запас пищи. Они утверждают, что процессы приема внутрь, переработки и выделения производят все больше и больше новых соединений во все более низких концентрациях. В результате, несмотря на обилие молекул, микроорганизмам становится все труднее найти те, которые они способны переработать.

Работа профессора доктора Синикки Леннарца подтверждает эту гипотезу. Леннарц, младший профессор биогеохимического моделирования океана в Ольденбургском университете, создает сетевые модели, которые описывают взаимодействия (здесь в очень упрощенных терминах) следующим образом: организм в сети поглощает определенное вещество и выделяет два новых вещества.

Приходит другой организм, выбирает из двух веществ только одно и выделяет в воду еще два, из которых только одно перерабатывается третьим организмом — и так далее. Эта сетевая модель дает результаты, которые «довольно близки к средней концентрации и среднему возрасту растворенного органического вещества в реальном океане», — говорит Леннарц.

Таким образом, по мнению исследователей, решающее значение имеет то, как организмы и молекулы взаимодействуют в своей естественной среде. Диттмар говорит здесь об «экологии молекул», которая играет роль за пределами открытых морей: большие количества долгоживущих растворенных органических веществ также обнаруживаются на морском дне в определенных местах. В рамках кластера передового опыта «Дно океана», базирующегося в Бременском университете, группа геохимиков исследует взаимодействие между растворенными веществами и углеродосодержащими веществами, обнаруженными в частицах.

«Предположительно, процессы на дне океана аналогичны процессам в толще воды», — говорит Диттмар. Последнее на самом деле может быть еще более сложным, отчасти потому, что осадочная структура служит эффективным физическим барьером, отделяющим вещества от организмов. Вместе с микробиологами исследователи из Ольденбурга планируют более детально изучить процессы на дне океана и их роль в углеродном цикле, а также объединить геологический опыт бременских исследователей с экологическими и геохимическими ноу-хау Ольденбурга. в новом кластере совершенства.

Группа Диттмара также участвует в ряде исследовательских проектов Ольденбурга, посвященных мелководной морской среде. И здесь Диттмар видит необходимость в дополнительных исследованиях – не в последнюю очередь в отношении вопроса о том, может ли тщательно выверенное управление экосистемами помочь этой среде хранить больше углерода, чем это было до сих пор.

Результаты о процессах, происходящих в небольших масштабах, невозможно просто экстраполировать на глобальные масштабы.

Однако, несмотря на все эти проекты, остается следующая проблема: результаты о процессах, которые происходят в небольших масштабах, не могут быть просто экстраполированы на региональные, не говоря уже о глобальных масштабах, таких как Мировой океан. Взаимодействия в микробной сети слишком сложны для этого.

Но в конечном итоге это единственный способ выяснить, какую роль растворенные органические вещества играют в углеродном цикле и, следовательно, в нашем климате. Учитывая эти ограничения, эксперт по моделированию Синника Леннарц берет результаты детальных исследований и определяет наиболее важные процессы, а затем интегрирует только эти упрощенные результаты в свои более крупные модели.

Этот подход помогает пролить свет на крупномасштабные закономерности распределения растворенного органического вещества в океане. Исследователи знают, например, что растворенное органическое вещество накапливается в бедных питательными веществами регионах субтропических океанов. Предположительно, микроорганизмы, живущие в этих областях, не способны расщеплять эти вещества, поскольку им не хватает других питательных веществ, таких как азот или фосфор, которые имеют решающее значение для их роста.

«Если мы учтем это в модели, мы сможем воспроизвести наблюдаемые закономерности и, таким образом, обнаружить большие резервуары углерода в мировых океанах», — объясняет Леннарц.

Объединив измерения, эксперименты и моделирование, исследователи постепенно приближаются к своей цели — лучшему пониманию молекул и их круговорота, чтобы иметь возможность интегрировать эти знания в модели глобального климата. Как…