Микроорганизмы являются двигателями большинства океанических процессов. Моделирование этих процессов должно развиваться с учетом их биологической сложности.
Морские микроорганизмы имеют решающее значение для здоровья океана. Бактерии, археи, грибы, водоросли и вирусы составляют большую часть биомассы в морях и являются основой морских пищевых сетей. Они поддерживают круговорот питательных веществ и стимулируют важнейшие биогеохимические процессы, в том числе ключевые этапы круговорота углерода, азота и кремния.
Однако климатический кризис создает нагрузку на океаны в виде неуклонного повышения температуры, более продолжительных и частых тепловых нагрузок, подкисления и изменения уровня питательных веществ. Понимание того, как морские микробы влияют на океан, имеет ключевое значение для прогнозирования будущего состояния океанов и смягчения последствий кризиса для морских экосистем, а также для людей, которые зависят от них как источник средств к существованию и пищи.
Прогнозирование состояния океана - дело непростое. Океаны представляют собой чрезвычайно сложные системы, и прогнозистам необходимо учитывать целый ряд изменений в физике океана (волны, течения и взаимодействие с атмосферой), биологии (реакция организмов на окружающую среду и друг на друга) и химии (различные формы основных элементов и их чувствительность к кислороду или pH). Эти модели должны охватывать различные масштабы - от национальных вод до просторов открытого океана. Они также должны быть способны имитировать морские тепловые потоки и проводить моделирование на протяжении сотен лет.
В настоящее время нет достаточной уверенности или даже консенсуса в отношении прогнозов реакции морских микроорганизмов на изменения климата. Исследователи в области морской микробиологии, физиологии, биогеохимии и моделирования должны объединить усилия, чтобы лучше наблюдать, понимать и, в конечном счете, моделировать микробные процессы. Здесь изложены некоторые приоритетные направления.
За прошедшие годы модели океана расширили свой охват. Первоначально они строились для отображения физических процессов, таких как крупномасштабная циркуляция и перенос тепла и соли. В 1980-х и 1990-х годах были добавлены простые версии углеродного цикла. С 2000-х годов ученые стали учитывать роль фитопланктона в круговороте углерода и других питательных веществ с помощью таких процессов, как фотосинтез, ограничение питательных веществ (когда рост ограничивается нехваткой необходимого элемента, например, азота или железа) и хищничество. Фитопланктон, находящийся в основании пищевой цепи, осуществляет примерно половину всего фотосинтеза, происходящего на Земле. Влияние этих организмов можно оценить по концентрации в океане фотосинтетического пигмента хлорофилла, которая может быть определена с помощью спутниковых наблюдений.
Однако по соображениям эффективности вычислений было смоделировано лишь некоторое количество ключевых групп. К ним относятся диатомовые водоросли, образующие цветение; мелкий фитопланктон, такой как Prochlorococcus и Synechococcus, доминирующий в бедных питательными веществами районах океана; цианобактерии-диазотрофы, фиксирующие азот путем преобразования инертного двуатомного азота (N2) в более полезный аммиак (NH3); кокколитофориды, образующие оболочки из карбоната кальция (CaCO3).
Исследователи занимаются обслуживанием планктонных сетей, которые используются в Чукотском море, расположенном между Аляской и Сибирью. Фото: AB Forces News Collection/Alamy.
Для учета этих групп использовались простые математические модели факторов, регулирующих их биомассу, таких как темпы роста и хищничества. При этом предполагается, что группы подчиняются "закону минимума", согласно которому наименее обеспеченный ресурс ограничивает темпы роста; влияние колебаний уровней других основных ресурсов не учитывается.
В последние годы такие биогеохимические модели, наряду с оценками, полученными на основе наблюдений, стали неотъемлемой частью работы по оценке потоков антропогенного углерода, накапливаемого в океане. Однако по-прежнему сложно с такой же уверенностью прогнозировать изменения важнейших биологических процессов. Например, неизвестно, увеличится или уменьшится скорость образования биомассы фитопланктона при различных сценариях изменения климата. Такие пробелы в знаниях препятствуют способности ученых понимать, регулировать и смягчать последствия климатического кризиса для здоровья океана и поставок морских продуктов питания.
Слабое понимание прогнозируемых изменений в основании пищевой цепи имеет огромные последствия для моделирования и прогнозирования на всех уровнях, в том числе в науках о Земле и экологии, а также для мировой экономики.
За последнее десятилетие технический прогресс революционизировал возможности ученых по наблюдению и мониторингу биологических процессов в океане во времени и пространстве. Спутниковые данные используются для оценки экологии океана по изменениям его оптических свойств, а автономные роботы проводят исследования океана, выявляя колебания концентрации питательных веществ и хлорофилла.
Параллельно с этим бурное развитие "омических" методов, таких как геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика, привело к пониманию сложного функционирования морских микробов на молекулярном уровне. Эти методы могут помочь пролить свет на роль сложных сетей взаимодействующих организмов и оценить, как сообщества океана могут реагировать на будущие изменения окружающей среды.
Морской фитопланктон при темнопольной микроскопии.
Появившиеся работы, использующие биогеохимические, омические данные и данные дистанционного зондирования океана, выявили недостатки нынешнего поколения океанических моделей. В частности, эти модели не могут воспроизвести ресурсный стресс или динамику роста фитопланктона (как в плане трендов, так и в плане изменчивости). Известно, что ресурсы, которые ранее игнорировались моделями, такие как марганец, цинк и витамины группы В5, теперь влияют на рост и физиологию фитопланктона.
Более того, закон минимума представляется чрезмерным упрощением. В начале этого года в результате крупномасштабных обобщающих исследований было установлено, что контроль более чем одного фактора (например, железа и азота) является относительно широко распространенным. Существуют различные сценарии "совместного лимитирования", при которых два или более питательных вещества могут ограничивать рост микроорганизмов как независимо друг от друга, так и не ограничивать его. Эта взаимосвязь подтверждается результатами протеомики, которые свидетельствуют о том, что морские микробы часто испытывают дефицит сразу нескольких ресурсов.
В настоящее время геномные методы регулярно используются во время исследовательских рейсов и океанических съемок. Однако получаемые с их помощью данные остаются практически неиспользованными в биогеохимических моделях океана, применяемых для изучения изменения климата, которые ориентированы на представление объемных биологических или биогеохимических показателей (таких, как концентрация питательных веществ или хлорофилла).
Исследователи должны объединить свои усилия, чтобы включить биологическую информацию в биогеохимические модели. Для уменьшения неопределенности в реакции океанических микробов на глобальные изменения необходимо решить несколько вопросов. Некоторые из них касаются масштабов адаптации организмов, важности функционального и биологического разнообразия, а также того, насколько по-разному влияют конкретные группы организмов, выполняющие ключевые биогеохимические функции.
Важное значение имеет также то, как ученые обнаруживают и описывают изменения в микробных и биогеохимических системах. Наконец, исследователи должны изучить значение биологически опосредованной обратной связи с окружающей средой (например, влияет ли микробная активность на круговорот соединений, имеющих отношение к климату или биогеохимии); роль и значение обратной связи в результате усилий по выведению углекислого газа из океана; а также устойчивость жизненно важных процессов, таких как фиксация азота или производство карбоната кальция.
Сканирующая электронная микроскопия внешних структур морских кокколитофоров, состоящих из карбоната кальция.Credit: Steve Gschmeissner/SPL.
В настоящее время применяются следующие три подхода к решению этой задачи, но их возможности остаются ограниченными.
Расширение биогеохимических моделей. Включение в модели дополнительных групп организмов или ресурсов, ограничивающих рост, может позволить провести крупномасштабное тестирование того, влияют ли эти дополнительные уровни детализации на результаты. Однако полезность такого подхода ограничена его сложностью. Даже в самой совершенной современной модели трудно учесть параметры, адекватно представляющие микробное биоразнообразие и учитывающие такие явления, как совместное обитание и реакция видов на изменение среды, поскольку моделирование должно проводиться в глобальном масштабе и в долгосрочной перспективе.
Использование статистических данных. Статистические методы позволяют прогнозировать изменения, ожидаемые для данного вида или экологической группы в зависимости от хорошо измеряемых предикторов (например, температуры поверхности моря). В этих подходах экологические условия, полученные с помощью биогеохимических моделей океана или крупномасштабных массивов данных, используются для построения статистических связей с подробными биологическими данными, например, о численности организмов или сетях взаимодействия.
Такие методы широко используются для выводов о том, как изменения окружающей среды влияют на распределение ключевых организмов (например, планктонных сообществ), и чувствительны к объему наблюдений. Однако из-за недостаточной выборки в некоторых регионах могут быть пропущены важные биомы, а статистические методы не учитывают изменений в связи между интересующими видами и возможными будущими условиями в океане. Такие проблемы привели к противоположным прогнозам, например, относительно изменения численности Prochlorococcus с течением времени.
Использование метаболического моделирования. Модели, основанные на метаболизме микроорганизмов, выявленном с помощью геномных методов, могут быть объединены с данными наблюдений или биогеохимическими моделями океана. Такие метаболические модели имеют наибольший потенциал в долгосрочной перспективе. Некоторые из них были использованы для изучения совместного использования железа и марганца, а также того, как клеточная физиология различных штаммов Prochlorococcus связана с их крупномасштабным распределением. В конечном счете, можно представить себе прямое соединение метаболических моделей с биогеохимическими моделями океана, чтобы обеспечить динамическое двустороннее взаимодействие между изменениями окружающей среды и здоровьем океанических микроорганизмов.
Для решения проблемы воздействия глобальных изменений на морские биологические системы необходимы инструменты моделирования, включающие аспекты всех трех подходов. Например, сочетание метаболических моделей и статистических подходов может упростить представление ключевых клеточных процессов, которые затем могут быть параметризированы для ключевых групп фитопланктона, что позволит расширить существующие глобальные биогеохимические модели океана.
В качестве альтернативы можно предположить, что вся биологическая составляющая нынешнего поколения биогеохимических моделей океана будет заменена статистическим подходом. В основе такой модели будет лежать метаболическая или геномная модель, ориентированная исключительно на то, как ключевые биогеохимические потоки (например, круговорот питательных веществ, производство кислорода или количество биомассы фитопланктона) связаны с изменяющимися условиями окружающей среды.
Более амбициозная задача - углубление фундаментальных знаний и параллельное развитие математических и экологических методов, которые позволили бы использовать растущие вычислительные мощности. Это облегчит моделирование молекулярной биологии микроорганизмов, биоразнообразия и биогеохимических циклов с точки зрения механики в глобальных океанических моделях, снижая неопределенность прогнозов за счет повышения реалистичности.
В ближайшие 10-20 лет финансирующие организации должны вкладывать значительные средства в междисциплинарные исследования, чтобы можно было разработать инструменты для изучения глобального воздействия на микробные экосистемы. Потребуется международное сотрудничество. Ученые, работающие в области молекулярной биологии, микробиологии и биогеохимической океанографии, уже объединяют усилия во всем мире в рамках программы BioGeoSCAPES. Важным направлением является подготовка нового поколения ученых, способных работать в разных дисциплинах. В настоящее время ведется работа по формированию когорты молодых ученых-стипендиатов BioGeoSCAPES.
Разработка системы, позволяющей использовать новые знания для создания более совершенных прогностических моделей, имеет решающее значение для перехода ученых к более согласованным, совместным международным усилиям по более эффективному ограничению последствий изменения климата. В конечном счете, эти усилия должны быть направлены на то, чтобы влиться в деятельность по оценке, осуществляемую группами, спонсируемыми ООН, такими как Межправительственная группа экспертов по изменению климата и Межправительственная научно-политическая платформа по биоразнообразию и экосистемам.
Модельные прогнозы, учитывающие морские микробные процессы с большей точностью и достоверностью, крайне важны для климатических прогнозов. Достичь этого можно только путем преодоления дисциплинарной разобщенности.
