Дослідження європейських учених під час арктичної експедиції MOSAiC виявило здатність підлідних діатомових водоростей здійснювати фотосинтез за рекордно низької кількості сонячного світла, наблизивши його до теоретичного мінімуму.
Рослини, що складають левову частку всієї біомаси на Землі (близько 80%), потребують для свого існування світла, щоб проводити фотосинтез — процес, що забезпечує виробництво органічної речовини та кисню. Однак фотосинтез у морях і океанах можливий лише в евфотичній зоні, шарі води, куди проникає достатньо сонячних променів. Ця зона охоплює лише верхні шари води, де утворюється до 90% кисню в атмосфері. Глибина евфотичної зони залежить від проникнення світла і зазвичай визначається рівнем, коли інтенсивність сонячного світла знижується до 1% від його поверхневого значення.
Попередні дослідження показували, що мінімальний рівень освітлення для фотосинтезу у водоростей, що живуть під льодом, становив близько 0,17 мікромоля фотонів на квадратний метр на секунду. Проте нові дані, отримані під час експедиції MOSAiC, суттєво змінили уявлення про можливості організмів адаптуватися до екстремальних умов. У ході експериментів було зафіксовано, що мікроводорості, зокрема діатомові родів Nitzschia і Navicula, здатні нарощувати біомасу за середньодобового освітлення на рівні 0,04 мікромоля фотонів на квадратний метр на секунду — майже в чотири рази нижче за попередні рекорди.
Протягом експедиції, що тривала з вересня 2019 до жовтня 2020 року, дослідники збирали проби водної товщі та морського льоду на глибинах до 20 метрів. Особливу увагу вони приділили вимірюванню кількості хлорофілу а — ключового пігменту для фотосинтезу. 28 березня 2020 року було виявлено перші ознаки активного фотосинтезу під льодом, коли світлова мікроскопія показала збільшення кількості діатомових водоростей, зокрема Pseudo-nitzschia. Вимірювання рівня освітлення, проведені за допомогою оптичних приладів, підтвердили, що процес фотосинтезу почався за рекордно низької освітленості.
Схематичне зображення місць і глибини відбору проб. Місця відбору проб MOSAiC і глибини навколо судна Polarstern навесні 2020 року. Біологічні параметри з верхнього змішаного шару (кругові стрілки) збирали з глибини 11 і 20 метрів. Вимірювання освітленості проводили за допомогою оптичних приладів на глибині до 50 метрів / © Nature Communications, Clara J. M. Hoppe.
Дослідницька група також виявила, що межа евфотичної зони в Північному Льодовитому океані може бути значно глибшою, ніж вважалося раніше. Згідно з новими даними, зона активного фотосинтезу поширюється до глибин 54 метрів, що майже вдвічі більше за попередні оцінки. Це свідчить про здатність водоростей адаптуватися до екстремально низького рівня сонячного світла, що дозволяє їм здійснювати фотосинтез на межі фізичних можливостей.
Ці результати є важливими для розуміння процесів первинної продукції в океанах, зокрема в полярних регіонах, де умови освітлення є надзвичайно суворими. Вони також підтверджують гіпотезу про те, що еволюція оптимізувала процес фотосинтезу до максимальної ефективності навіть за екстремально низького освітлення. Фахівці підкреслюють, що такі відкриття можуть мати важливі наслідки для екологічних досліджень та прогнозів змін у морських екосистемах у зв’язку з кліматичними змінами.
Дослідження показує, що навіть у найсуворіших умовах життя на Землі здатне адаптуватися і виживати. Це відкриття також відкриває нові горизонти для вивчення екстремофілів — організмів, здатних жити в надзвичайно несприятливих середовищах, і може мати прикладне значення для майбутніх досліджень життя на інших планетах, де умови можуть бути подібними до тих, що спостерігаються під арктичними льодами.