Под морским льдом во время кромешной полярной ночи в Арктике клетки осуществляют фотосинтез при самых низких уровнях освещённости, когда‑либо наблюдаемых в природе
Исследователи увидели, что клетки водорослей подо льдом, когда первые фотоны весеннего солнечного света проникли сквозь темноту арктической полярной ночи, поглощают свет при интенсивности, равной теоретическому минимуму для фотосинтеза — менее одной стотысячной части света солнечного дня.
Большинство жизненных процессов работает на солнечном свете. Фотоны проникают сквозь атмосферу и с жадностью поглощаются организмами, использующими свет в качестве источника энергии, такими как растения и водоросли. В процессе фотосинтеза частицы света запускают клеточную реакцию, в результате которой вырабатывается химическая энергия (в виде сахаров), которая затем передаётся по пищевой цепи в сложной взаимосвязи между травоядными, хищниками, падальщиками, разлагающими организмами и другими участниками экосистемы.
В яркий солнечный день фотонов хватает с лихвой. Но что происходит при слабом освещении? Биологи давно интересуются тем, при каком минимальном количестве света может происходить фотосинтез — или какое количество фотонов с какой скоростью должно поступать, чтобы фотосинтетический аппарат клетки мог преобразовывать углекислый газ в кислород и энергию. Расчёты показали, что теоретический минимум составляет около 0,01 микромоля фотонов на квадратный метр в секунду, или менее одной стотысячной доли от освещённости солнечного дня.
На протяжении десятилетий этот расчёт оставался теоретическим из‑за сложностей, связанных с изучением фотосинтеза в условиях слабого освещения. Никто не мог подтвердить его в полевых условиях, хотя на Земле существует множество мест, куда свет едва доходит. Например, каждую зиму в Арктике на высоких широтах солнце, скрытое из‑за наклона оси Земли, исчезает на несколько месяцев. Метровые слои снега покрывают морской лёд и блокируют поступающий свет, оставляя ледяной океан внизу таким же тёмным, как пространство в гробнице. Биологи предполагали, что фотосинтезирующие микроводоросли, обитающие в воде и льду, на время сезона переходят в состояние покоя и ждут возвращения тепла и света.
«Люди представляли полярную ночь как пустынные условия, где почти нет жизни, и все организмы затормаживаются, впадают в спячку и ждут наступления следующей весны», — сказала Клара Хоппе, биогеохимик из Института Альфреда Вегенера в Германии. «Но на самом деле люди никогда по‑настоящему не изучали этот процесс».
Зимой 2020 года Хоппе провела несколько месяцев на судне, застрявшем в льдине, в течение всей полярной ночи, чтобы изучить пределы фотосинтеза в темноте. В недавнем исследовании её команды, опубликованном в журнале Nature Communications, сообщается о росте и размножении микроводорослей при уровне освещённости, равном или близком к теоретическому минимуму — гораздо ниже, чем ранее наблюдалось в природе.
Исследование показывает, что в некоторых из самых холодных и тёмных уголков Земли жизнь расцветает даже при минимальном количестве света. «По крайней мере, некоторые виды фитопланктона при определённых условиях способны осуществлять полезные функции даже при очень слабом освещении», — отметил Дуглас Кэмпбелл, специалист по водному фотосинтезу из Университета Маунт‑Эллисон в Канаде, не участвовавший в исследовании. «Это важная работа».
Возможности тёмной стороны
Учёные традиционно считали Арктику местом застоя в течение большей части года. Зимой организмы, способные покинуть ледяные воды, уходят; те, кто остаётся, питаются накопленными запасами или погружаются в безмолвный сон. Затем, когда возвращается солнце, это место снова оживает. Во время весеннего цветения всплеск активности фотосинтезирующих водорослей и других микроорганизмов запускает арктическую экосистему, питая ежегодный праздник жизни, в котором участвуют крошечные ракообразные, рыбы, тюлени, птицы, белые медведи, киты и многие другие.
Хоппе подумала, что любой фитопланктон, способный начать рост раньше своих конкурентов, может провести лето более успешно. Это заставило её задаться вопросом: когда именно организмы могут отреагировать на возвращение света?
Её интерес к этой теме резко возрос в 2015 году, когда она присоединилась к исследовательскому проекту под руководством учёных из Университета Тромсё в Норвегии. Междисциплинарная команда обнаружила неожиданно процветающую экосистему в зимних водах у побережья архипелага Шпицберген; некоторые организмы, в частности моллюски, были даже более активны, чем летом. Ко всеобщему удивлению, фитопланктон тоже не впадал в спячку: Хоппе зафиксировала в морской воде более высокие уровни пигмента хлорофилла — полезного индикатора активного фотосинтеза — чем кто‑либо мог ожидать. Вместо того чтобы опускаться в поверхностные отложения и перезимовать в состоянии «спячки», многие клетки, обнаруженные Хоппе, активно проводили зиму, при этом их клеточные процессы работали в полную силу.
«Если эти организмы активны, — сказала Хоппе, — то, очевидно, возникает вопрос: когда они снова начнут выполнять свои функции в экосистеме?» Она начала задумываться о безграничной, холодной тьме полярного океана.
В начале 2020 года Хоппе оказалась в ситуации, когда ей пришлось непосредственно проверять пределы фотосинтеза: она разместилась на борту ледокола, который намеренно завели в ледяной клин и оставили дрейфовать с выключенными двигателями в течение полярной ночи. Группа учёных из экспедиции «Мозаик» (Многодисциплинарная дрейфующая обсерватория для изучения климата Арктики), сменяющих друг друга, находилась на борту научно‑исследовательского судна «Полярштерн» во время его плавания, цель которого заключалась в сборе как можно большего объёма данных об арктической зиме.
Хоппе и её коллеги работали в темноте круглосуточной ночи, среди бескрайних просторов сверкающего льда и при температуре, ощущаемой на коже, до -60°С. Трещины и гребни во льду постоянно изменяли маршрут к постоянной проруби во льду под названием «Оушен‑Сити», из которой Хоппе и её команда собирали сотни литров проб морской воды и доставляли их обратно на судно для анализа.
Команда провела два параллельных ряда измерений. Сначала они доставили образцы микроводорослей из морской воды и морского льда в судовую лабораторию. Там они инкубировали клетки и снабдили их углеродом (отслеживаемым по изотопам, или количеству нейтронов в атомных ядрах) и минимальным количеством света (хотя и значительно больше того, что было доступно подо льдом). Измерив скорость поглощения углерода клетками, они смогли оценить пределы способности организмов к фотосинтезу.
Исследователи также регулярно отбирали пробы морской воды, чтобы отслеживать количество фитопланктона и хлорофилла с течением времени. По словам Хоппе, в течение всего февраля оба показателя оставались неизменными. Однако к концу марта поглощение углерода микроводорослями резко возросло, как и количество клеток и концентрация хлорофилла — показатели роста и фотосинтеза. Хоппе и её команда проверили и исключили множество возможных объяснений и пришли к выводу, что всплеск фотосинтеза совпал с появлением первых весенних солнечных лучей.
Однако, по словам Хоппе, ключевое доказательство появилось только через три года после экспедиции и было получено исследователями из другого отдела: физиками, измерявшими освещённость под морским льдом. Исторически это было сложной задачей: «На самом деле невозможно измерить освещённость подо льдом, не нарушая окружающую среду, которую вы пытаетесь измерить», — сказала Хоппе. «Потому что вы пробуриваете отверстие, ходите вокруг — даже следы на снегу и льду изменят световое поле».
Чтобы обойти это препятствие, физик‑специалист по морскому льду Нильс Фукс и его команда на борту научно‑исследовательского судна «Поларштерн» в начале сезона разместили вокруг ледяного плавающего блока чрезвычайно точные световые датчики и оставили их на всю зиму примороженными к нижней стороне льда. Подобно камерам слежения, устанавливаемым в глухих лесах биологами‑зоологами, световые датчики в течение нескольких месяцев беспрерывно регистрировали данные о свете подо льдом.
В феврале тьма полярной ночи была почти абсолютной, и даже фотоны от яркой луны или мимолётных сумерек не могли проникнуть в тёмные воды внизу. Затем, в конце марта, солнце ненадолго показалось над горизонтом. Под этим льдом световые датчики зафиксировали невероятно малое количество фотонов: верхний предел составлял 0,04 микромоля на квадратный метр в секунду — величина, очень близкая к теоретическому минимуму освещённости, при котором возможен фотосинтез. Фактическое количество света, вероятно, было ещё меньше.
«Свет, который мы наблюдали, по сравнению с обычным солнечным днём, подобен одной капле воды по сравнению с 3 литрами», — сказал Фукс, специалист по льду из Гамбургского университета и соавтор исследования.
«Наша оценка является консервативной, — добавил он, — и вполне возможно, что под лёд проникло ещё меньше фотонов». «Ледяной покров довольно неоднородный», — пояснил он. Поскольку некоторые участки ледяного покрова могут пропускать больше света, чем другие, исследовательская группа выбрала верхние пороговые значения при измерении интенсивности света. «В конечном итоге есть некоторое разнообразие, и мы действительно хотим перестраховаться — не ориентироваться на нижний предел, где мы не на 100% уверены, что это действительно именно то количество света».
Сопоставление данных Фукса о свете с наблюдениями Хоппе за микроводорослями подтвердило это: В конце марта, как раз когда вернулось самое минимальное количество солнечного света, микроводоросли не только запустили свой фотосинтетический аппарат, но и росли, наращивая биомассу. Её команда пришла к выводу, что им удалось провести первое в истории полевое наблюдение фотосинтеза при освещённости, близкой к теоретическому минимуму — когда количество света было на порядок ниже того, что наблюдалось в природе ранее.
Сна больше нет
Хоппе была в восторге от того, что ей удалось наблюдать фотосинтез при минимальном количестве света, необходимом для поддержания жизни, или вблизи этого минимума. Но это открытие породило вопрос: как спящие клетки могли быть готовы запустить свои механизмы именно в тот момент, когда первые лучи весеннего солнца пробились сквозь лёд?
Её команда обнаружила, что в самые тёмные периоды полярной ночи микроводоросли не демонстрировали заметного увеличения поглощения углерода — они ни росли, ни осуществляли фотосинтез. Однако они и не находились в состоянии полной спячки. Клетки продолжали функционировать в режиме пониженной активности. Затем, как только в конце марта уровень освещённости поднялся настолько, что стал достаточным для активной фиксации углерода, водоросли были готовы мгновенно активизироваться.
«Это что‑то вроде семенного ложа или инокуляции, — сказала Кэмпбелл. — Способность продуктивно использовать очень слабое освещение повышает шансы на выживание и позволяет быстро приступить к активности, когда свет вернётся».
Исследователи не до конца уверены, как микроводорослям удавалось оставаться живыми и не впадать в состояние покоя в самые тёмные периоды. Некоторые из них, например диатомовые водоросли, могут потреблять растворенные органические питательные вещества непосредственно из воды. Возможно, они могли выживать за счёт единичных фотонов, проникавших сквозь трещины во льду или излучаемых какими‑то биолюминесцентными организмами. А может быть, полярные водоросли развили уникальные механизмы, позволяющие поддерживать их метаболизм на низком уровне при экстремально низких температурах, чтобы они были готовы активизироваться с первыми лучами солнца.
По словам Кевина Флинна, специалиста по планктону из Плимутской морской лаборатории, не участвовавшего в исследовании, такие адаптации могут иметь важное значение для экологии региона. «Возможно, организмы начинают готовиться раньше, чем мы думаем», — сказал он. Это открытие представляет собой «важную работу, которая позволяет объективно оценить, как на самом деле ведёт себя природа».
Однако он не до конца убеждён, что рост клеток в конце марта происходил за счёт фотосинтеза. «Появление хлорофилла не означает, что они осуществляют фотосинтез для обеспечения этого роста», — отметил он. «Возможно, они просто производят больше хлорофилла из органических веществ в рамках подготовки к фотосинтезу. Ведь по мере наступления сезона появится свет. И тот организм, который будет готов к этому быстрее других, будет развиваться быстрее всех».
С другой стороны, Кэмпбелл считает возможным, что водоросли могли осуществлять фотосинтез даже раньше, чем предполагала команда Хоппе. По его словам, их оценки уровня освещённости были консервативными, и фотосинтез мог происходить задолго до того, как стало заметно накопление биомассы, которое легко измерить. Поэтому он считает вполне возможным, что «эти организмы находятся прямо на границе или чуть ниже этого биохимического термодинамического предела», — сказал он.
Полученные данные рисуют новую картину жизни в условиях полярной ночи в Арктике и, возможно, за её пределами. Жизнь, возможно, не ограничивается лишь несколькими короткими летними месяцами; скорее всего, воды могут оставаться продуктивными — или, по крайней мере, содержать живые организмы — в течение всего года. По словам Хоппе, это может кардинально изменить наше понимание жизненных циклов, взаимодействий и энергетических запасов арктических организмов.
Она также задаётся вопросом, не обладают ли некоторые водоросли в более холодных и тёмных водах глубокого моря такой же способностью арктического фитопланктона переживать почти абсолютную тьму. Если она права, то зона продуктивного океана может простираться на большую глубину, чем кто‑либо предполагал. «Если полярный фитопланктон смог развить эти механизмы, — предположила Хоппе, — я уверена, что фитопланктон в других районах океана способен на то же самое».