Några av havets minsta organismer svepas in i undervattensströmmar som fungerar som en kanal som transporterar dem från den soliga ytan till djupare, mörkare djup där de spelar en stor roll i att påverka havets kemi och ekosystem, enligt ny forskning.
Publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences och baserat på fältarbete under tre forskningskryssningar som sträcker sig 2017 till 2019, fokuserar studien på subtropiska regioner i Medelhavet. Den avslöjade hur vissa mikroskopiska encelliga organismer som är för lätta för att sjunka bortom 100 meter eller så – som växtplankton och bakterier – hamnar djupare ner i havet där det inte finns tillräckligt med solljus för dessa fotosyntetiska organismer att växa, leva och äta.
"Vi fann att eftersom dessa organismer är så små kan de svepas upp av havsströmmar som sedan för dem djupare än där de växer", säger Mara Freilich, biträdande professor vid Brown Universitys avdelning för tillämpad matematik och Department of Earth, Environmental och Planetary Sciences som lanserade arbetet som Ph.D. student ett gemensamt program vid MIT och Woods Hole Oceanographic Institution. "Det är ofta en enkelresa för dessa organismer, men genom att ta den här resan spelar de en avgörande roll för att koppla samman olika delar av havet."
Freilich genomförde forskningen under sin doktorsexamen. med Amala Mahadevan, senior forskare vid Woods Hole, i ett nära samarbete med seniorforskaren vid Marine Biological Laboratory Alexandra Z. Worden och hennes team.
Strömmarna som teamet hittade kallas intrång, och genom att sopa upp de små organismerna hjälper de till att förändra de typer av mat som finns i de djupare lagren av havet samtidigt som de transporterar en betydande mängd kol från vattenytan. Detta hjälper till att mata andra organismer i havets näringskedja och ökar ekosystemets komplexitet på djupare djup, vilket påverkar hur liv och kemi fungerar under vattnet.
Sammantaget utmanar studien konventionell förståelse av hur kol, som omvandlas till organiskt material genom fotosyntes i havets solbelysta lager, transporteras till djupet.
"Majoriteten av fotosyntesen – genom vilken ljus omvandlas till organiskt kol, en matkälla för levande organismer – sker i de övre 50 metrarna av havet, så frågan har alltid varit:Hur kommer kolet som fixeras genom fotosyntesen in i det djupa havet?" sa Freilich.
"Sänkningen av kolrika partiklar har alltid ansetts vara det enda svaret på denna fråga. Men vad vi fann är att små, encelliga organismer fastnar i havsflödet för att bilda intrång... Sådana intrång är viktiga egenskaper hos subtropiskt hav – medan de sträcker sig tiotals kilometer i sidled, sjunker de också hundratals meter i lodrät, vilket tar med sig celler och kol. Denna mekanism har inte redovisats i tidigare uppskattningar av koltransport."
Forskarna fann att intrången sker året runt och har sitt ursprung i områden som är rika på biomassa, inklusive där de växtliknande organismerna har sin högsta koncentration. Tidigare ansågs havsströmmar bara transportera kol till djupet säsongsvis. Forskarna föreslår att dessa intrång är utbredda i världens subtropiska hav. De tillhandahåller ledningar för kontinuerlig transport av kol och syre från det solbelysta havet till djupet.
"Vi observerade mikrobiella samhällen som såg ut precis som ytmikrobiella samhällen ner till 200 meter," sa Freilich. "I andra regioner tror vi att det här kan vara mycket djupare. Till vår förvåning fann vi att majoriteten av mikroberna i intrången var bakterier som livnär sig på kol fixerat av de fotosyntetiserande cellerna. Detta visade att huvuddelen av biomassan som transporterades från de solbelysta skikten som består av icke-fotosyntetiska mikrober."
Inom ett samarbete mellan USA, Spanien och Italien åkte forskarna på tre resor till det subtropiska Medelhavet för studien. De använde specialverktyg för att mäta egenskaper som vattentemperatur, salthalt och mängden av de små organismerna på olika djup. Analyserna, utförda i samarbete med mikrobiella ekologen Alexandra Worden vid Marinbiologiska laboratoriet, hjälpte till att visa skillnaderna mellan intrångsprover och bakgrundsvatten.
Att se att de mikrobiella samhällena i de djupare intrångsproverna liknade mikrobiella samhällen på ytan visade att de transporterades till djupet. Forskarna använde också datormodeller för att simulera havsströmmar för att avslöja hur samhällena av små växter och bakterier rörde sig i vattnet.
"Med de starka data från Medelhavet som etablerar denna process av tredimensionella ledningar som en mekanism för att föra ytmikrober till det mörka havet i varma vatten, har vi kunnat se spår av liknande export i stora öppna havsregioner", säger Worden .
Tillsammans med att understryka den ekologiska betydelsen av intrång för att forma oceanisk biologisk mångfald, berör studien också hur intrång kan påverkas av klimatförändringar. Man tror att när jordens hav blir varmare kommer andelen kol i små celler att öka och transporten i intrång kanske inte påverkas lika mycket som andra mekanismer som bär kol till djupet. Intrång förändrar vår förståelse av hur kol rör sig i havet och kan hjälpa till att reglera kollagring och mikrobiell dynamik i djuphavet.
"Det finns så mycket mer att utforska nu när vi har hittat det här," sa Freilich. "Vad som kommer härnäst är att ta det vi har lärt oss här och avgöra om vi kan använda detta för att förutsäga hur förändringar i den mikrobiella samhällssammansättningen skulle påverka transporten av kol och den globala kolcykeln i ett föränderligt klimat."
Mer information: Mara A. Freilich et al, 3D-intrång transporterar aktiva ytmikrobiella sammansättningar till det mörka havet, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2319937121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Brown University
