Лавовые потоки в океане могут вызывать бурное развитие фотосинтезирующего планктона

Рис. 1. Извержение вулкана Килауэа летом 2018 года. Базальтовая лава стекает с юго-восточного побережья острова Гавайи в океан, воды которого у берегов приобретают зеленый цвет из-за цветения воды, вызванного бурным размножением фитопланктона. В воздух поднимаются клубы пара (см. видео) от взаимодействия горячей лавы и океанской воды (такой пар по-английски называют laze — от lava «лава» + haze «туман, дымка»). Фото © Scott Rowland из популярного синопсиса к обсуждаемой статье

Извержение вулкана Килауэа на Гавайских островах летом 2018 года не только вызвало многочисленные разрушения и уничтожило сельскохозяйственные угодья, но и спровоцировало массовое развитие фитопланктона в близлежащих водах океана. Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Science, показывает, что бурный рост водорослей был связан с притоком в освещенный приповерхностный слой океанской воды питательных веществ, прежде всего нитратов. Несмотря на то что в базальтовой лаве азот содержится в незначительных количествах, именно вулканизм стал первичной причиной наблюдаемого явления. Горячая базальтовая лава, поступающая в океан, вызвала нагрев холодных глубинных вод, содержащих нитраты, и подъем этих вод к поверхности.

Килауэа — действующий вулкан на острове Гавайи, самом большом из островов Гавайского архипелага. Это один из самых активных вулканов на Земле. Начиная с середины XVIII века, когда начались наблюдения, крупные извержения Килауэа происходили 19 раз. Последнее извержение началось в январе 1983 года и продолжается с разной степенью интенсивности по настоящее время. Самая мощная активизация вулкана (62-я за тридцать пять лет) имела место в мае–июле 2018 года, когда из района Пуна пришлось эвакуировать несколько тысяч человек, а два поселка были полностью уничтожены лавой.

Весь остров Гавайи — это, по сути, соединенные между собой пять вулканов щитового типа: Кохала (потухший), Мауна-Кеа (спящий), Хуалалаи (активный, но не извергающийся с 1801 года), Мауна-Лоа (активный) и Килауэа (рис. 2).

Рис. 2. Границы вулканов острова Гавайи (указаны вместе с лавовыми полями): 1 — Кохала, 2 — Мауна-Кеа, 3 — Хуалалаи, 4 — Мауна-Лоа, 5 — Килауэа, 6 — подводный активный вулкан Лоихи. Изображение с сайта

Щитовые вулканы, в отличие от классических стратовулканов конической формы, представляют собой пологие постройки типа выпуклого щита, образовавшиеся в результате многократных излияний жидкой базальтовой лавы (лавовые потоки гавайской базальтовой лавы даже имеют специальное название — аа-лава, от гавайского ?A?? «грубые камни»). При этом излияния могут происходить как из центрального кратера щитового вулкана, так и из боковых кратеров, открывающихся на их склонах во время активизации вулкана, а также из разломов («рифтовых зон»), расходящихся в стороны от центрального кратера. В этом случае говорят об извержениях трещинного типа (рис. 3).

Рис. 3. Общая схема вулкана Килауэа. Коричневым показана кальдера главного кратера вулкана (и в ней — кратер Халемаумау); красным — боковой вулканический кратер-кальдера Килауэа-Ики; желтым — боковые кратеры; серым — трещинные (рифтовые) зоны, вдоль которых также происходят извержения. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Среди трещинных вулканов в свою очередь выделяют два типа: гавайский (извержения которого проходят практически без выброса пирокластического материала — пепла и вулканической пыли) и исландский (с пирокластическим материалом). При активизации вулканов гавайского типа, к которым относится и Килауэа, лава в течении всего времени извержения выходит вдоль трещин и растекается потоками по пологим склонам вулкана (рис. 4).

Рис. 4. Растекающиеся потоки лавы вулкана Килауэа. Съемка с вертолета 19 мая 2018 года. Фото с сайта

В начале мая 2018 года вдоль восточной «рифтовой зоны» вулкана началась серия извержений (см. анимацию извержения с 4 мая по 30 июля). 3 июня лавовые потоки достигли побережья и начали стекать в океан. А уже через три дня, 6 июня, на спутниковых снимках НАСА было зафиксировано быстро распространяющееся вдоль восточного побережья Гавайских островов пятно хлорофилла а — зеленого пигмента, показывающего область активного развития фотосинтезирующих водорослей в приповерхностном слое океана. Зона максимальной концентрации пигмента в виде шлейфа распространялась от места входа в океанские воды базальтовой лавы (рис. 1). Через две недели пятно простиралось уже на расстояние до 150 км от берега. Концентрация хлорофилла а в пределах шлейфа составила более 0,2 мг/л, что существенно выше значений, обычно фиксируемых в водах региона. Измерения проводились с помощью спектрального радиометра MODIS, расположенного на борту научно-исследовательского спутника Aqua.

Чтобы понять, насколько конфигурация шлейфа хлорофилла а связана с траекторией движения потока вещества, поступающего вместе с лавой, ученые построили модель распространения в приповерхностном слое океана условного красителя, как если бы он поступал вместе с лавой. Модель учитывала направление течений, ветров и влияние градиента давлений. В итоге выявилась довольно близкая корреляция зоны распространения условного красителя и реально наблюдаемого шлейфа хлорофилла а (рис. 5).

Рис. 5. Хронология вулканической активности и образования связанного с ней шлейфа хлорофилла а у восточных берегов Гавайских островов в июне–августе 2018 года: 3 июня — лава начала поступать в океан; 6 июня — спутником Aqua был зафиксирован шлейф хлорофилла а; 9 августа — лава прекратила поступать в океан; 12 августа — шлейф хлорофилла а практически полностью исчез. Слева — результаты моделирования распространения условного красителя от места входа в океанские воды базальтовой лавы. Справа — спутниковые снимки, полученные с помощью спектрального радиометра MODIS, и шкала содержаний хлорофилла а в мг/м3 в приповерхностном слое воды. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Чтобы изучить природу наблюдаемого явления, в период самого пика вулканической активности — с 13 по 17 июля 2018 года — была организована океанографическая экспедиция на научном судне «Каимикаи-О-Каналоа» (Ka‘imikai-O-Kanaloa). Исследование показало, что в зоне хлорофиллового шлейфа относительный объем биомассы в 2–3 раза превышает аналогичный показатель для окружающих вод. Прирост биомассы наблюдался за счет бурного развития водорослей, прежде всего диатомовых водорослей рода Skeletonema (которые в зоне шлейфа составили 37% объема всей биомассы, что совершенно необычно для вод региона), а также за счет увеличения количества других представителей фитопланктона (гаптофитовых водорослей Phaeocystis), радиолярий и зоопланктона (рис. 7). Замеры первичной продукции кислорода в зоне шлейфа показали значения 4–6 ммоль/литр О2 в день. Для сравнения, значение первичной продукции для окружающих вод составляет 0,9–1,1 ммоль/литр О2 в день.

Фотосинтезирующие водоросли играют огромную роль в поддержании кислородного баланса атмосферы и являются важным элементом углеродного цикла океана: используя хлорофилл для поглощения света, в процессе фотосинтеза поглощают СО2 и производят кислород. Они также входят во все пищевые цепи океана, так как служат питанием для более крупных организмов. Поэтому знание причин, приводящих к несбалансированному росту фитопланктона, чрезвычайно важно.

Химический анализ показал, что вода из зоны хлорофиллового шлейфа обладала практически идеальным набором веществ и элементов, необходимых для роста и размножения водорослей. Главным питательным веществом для фитопланктона является азот, а в водах, обогащенных хлорофиллом а, был отмечен повышенный уровень соединений азота, нитратов, — до 4 ммоль/л (в окружающих водах нитраты содержатся в количестве не более 0,01 ммоль/л). Также в водах шлейфа были отмечены повышенные (по сравнению с окружающими водами) содержания фосфатов, железа и кремниевых кислот. Оставалось понять, откуда взялись в приповерхностном слое океана эти питательные элементы и как это связано с извержением.

В базальтовой лаве практически нет азота, а содержащиеся в ней железо и фосфор при попадании в воду почти сразу связываются в вещества, недоступные для микроорганизмов, и осаждаются. Также в водах шлейфа практически отсутствовали диазотрофные (азотфиксирующие) микроорганизмы, распространением которых можно было бы объяснить появление повышенных концентраций азота.

То, что именно поступление большого количества нитратов было причиной бурного развития диатомовых водорослей, подтвердили и результаты анализа транскриптома Skeletonema, который выявил обилие генов, участвующих в процессах ассимиляции азота, фотосинтеза и фиксации углерода.

По изотопным маркерам соединений азота авторы исследования определили, что источником азота являются глубинные воды океана, а не базальтовая лава или воды поверхностного стока. Это позволило ученым выдвинуть гипотезу о том, что изливающаяся на морское дно лава вызвала нагрев и подъем к поверхности (апвеллинг) глубинных вод, обогащенных нитратами и другими питательными веществами, что и стало причиной необыкновенного расцвета фитопланктона (рис. 6). Прямые аппаратные наблюдения, проведенные в сентябре 2018 года, показали, что потоки горячей лавы достигали глубины 725 м. Обогащенные же питательными веществами глубинные слои океана начинаются с глубины более 300 метров.

Рис. 6. Общая схема взаимодействия изливающейся в океан лавы с глубинными водами, обогащенными нитратами. Зона развития фитопланктона отмечена зеленым цветом. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Подтверждает выдвинутую гипотезу и тот факт, что под хлорофилловым шлейфом воды обеднены кислородом (182 ммоль/кг по сравнению с 205 ммоль/кг в окружающих водах), при том что замеры, выполненные автономным подводным аппаратом, показали, что область максимальных концентраций хлорофилла а находится под зоной шлейфа на глубине от 5 до 50 м. Объяснить низкие концентрации кислорода в зоне его генерации фотосинтезирующими организмами можно только притоком в эту зону обедненных кислородом глубинных вод.

Приток глубинных вод в эвфотическую зону привел не только к резкому росту объема фитопланктона в приповерхностном слое океана, но и к коренному изменению видового состава планктона в целом (рис. 7).

Рис. 7. Видовой состав планктона (в % углеродной биомассы, измеренной как масса органически связанного углерода — Total organic carbon) в зоне хлорофиллового шлейфа (А) и за его пределами (В). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Из диаграммы видно, что доминирующие обычно в водах региона микроскопические цианобактерии Prochlorococcus, относящиеся к пикопланктону, под воздействием процессов, связанных с поступлением в океан горячей лавы, замещаются более крупными представителями диатомовых водорослей, являющихся значительно более мощными продуцентами кислорода и фиксаторами углекислого газа.

Если такие серьезные перестройки в биосистеме и в геохимических циклах углерода, кислорода и азота вызвало одно относительно небольшое и короткое по времени вулканическое извержение, то остается только предполагать, какими по масштабу должны были быть последствия гигантских вулканических событий, приводящих в прошлом к возникновению целых вулканических провинций в океане типа плато Онтонг-Ява, занимающего около 2 млн км2 морского дна в Тихом океане. Это плато — одна из крупнейших трапповых провинций мира, площадь которой сопоставима с размерами Аляски. Базальтовые лавы здесь изливались около 5 млн лет подряд (120 125 млн лет назад), а толщина базальтового покрова достигает 30 км.

Обычно периоды активного вулканизма в геологическом прошлом Земли принято связывать с ростом содержания в атмосфере СО2 — важнейшего парникового газа — так как он выделяется при вулканических извержениях. Теперь же открыт механизм, который показывает, что в случае извержений, происходящих в океане, выброс СО2 мог во многом компенсироваться бурным развитием в водах океана фотосинтезирующего фитопланктона.

Источники:
1) Samuel T. Wilson, Nicholas J. Hawco, E. Virginia Armbrust et al. K?lauea lava fuels phytoplankton bloom in the North Pacific Ocean // Science. 2019. V. 365. P. 1040–1044. DOI: 10.1126/science.aax4767.
2) Hugh Ducklow, Terry Plank. Volcano-stimulated marine photosynthesis // Science. 2019. V. 365. P. 978–979. DOI: 10.1126/science.aay8088 (популярный синопсис к обсуждаемой статье).

Владислав Стрекопытов

Источник: elementy.ru