Группа исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и океанографического института Вудс-Хоул исследовала эту ранее забытую область океанографии на предмет признаков недооцененного глобального цикла. Они также проверили, как его существование может повлиять на реакцию океана на разливы нефти.

"Мы продемонстрировали, что в океане происходит массовый и быстрый круговорот углеводородов, и что он отличается от способности океана реагировать на поступление нефти", - сказал профессор Дэвид Валентайн, который занимает президентскую кафедру Норриса на факультете наук о земле Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Исследование, проведенное его аспирантами Элеонорой Аррингтон и Коннором Лавом, появилось в Природная микробиология.

В 2015 году международная группа, возглавляемая учеными из Кембриджского университета, опубликовала исследование, демонстрирующее, что углеводородный пентадекан вырабатывается морскими цианобактериями в лабораторных культурах. Исследователи экстраполировали, что это соединение может быть важным в океане. Молекула, по-видимому, снимает напряжение в изогнутых мембранах, поэтому ее можно найти в таких вещах, как хлоропласты, где плотно упакованные мембраны требуют экстремальной кривизны, объяснил Валентайн. Некоторые цианобактерии все еще синтезируют это соединение, в то время как другие океанские микробы с готовностью потребляют его для получения энергии.

Валентайн написал двухстраничный комментарий к статье вместе с Крисом Редди из Вудс-Хоул и решил продолжить обсуждение этой темы с Аррингтон и Лав. Они посетили Мексиканский залив в 2015 году, затем Западную Атлантику в 2017 году, чтобы собрать образцы и провести эксперименты.

Команда взяла пробы морской воды из бедного питательными веществами региона Атлантики, известного как Саргассово море, названного в честь плавающих водорослей саргасса, занесенных из Мексиканского залива. "Это красивая, прозрачная, голубая вода с Бермудским привкусом посередине", - сказал Валентайн.

Получение образцов, по-видимому, было довольно сложной задачей. Поскольку пентадекан является распространенным углеводородом в дизельном топливе, команде пришлось принять дополнительные меры предосторожности, чтобы избежать загрязнения с самого судна. Они попросили капитана развернуть корабль по ветру, чтобы выхлопные газы не загрязняли образцы, и проанализировали химический состав дизельного топлива, чтобы убедиться, что оно не является источником какого-либо пентадекана, который они обнаружили.

Более того, никто не мог курить, готовить или рисовать на палубе, пока исследователи собирали морскую воду. "Это было большое дело, - сказал Валентайн. - я не знаю, были ли вы когда-нибудь на корабле в течение длительного периода времени, но вы рисуете каждый день. Это как мост Золотые ворота: вы начинаете с одного конца, а к тому времени, когда добираетесь до другого конца, приходит время начинать все сначала".

Меры предосторожности сработали, и команда извлекла нетронутые образцы морской воды. "Стоя перед газовым хроматографом в Вудс-Хоул после экспедиции 2017 года, было ясно, что образцы были чистыми, без признаков дизельного топлива", - сказал соавтор исследования Лав. "Пентадекан был безошибочно распознан и уже демонстрировал четкие океанографические закономерности даже в первых двух образцах, которые [мы] исследовали".

Из-за их огромного количества в мировом океане, продолжил Лав, "всего два вида морских цианобактерий добавляют в океан в 500 раз больше углеводородов в год, чем сумма всех других видов поступления нефти в океан, включая естественные утечки нефти, разливы нефти, сброс топлива и сток- оторваться от земли." Эти микробы в совокупности производят 300-600 миллионов метрических тонн пентадекана в год, что значительно превышает 1,3 миллиона метрических тонн углеводородов, выделяющихся из всех других источников.

Хотя эти количества впечатляют, они немного вводят в заблуждение. Авторы отмечают, что пентадекановый цикл охватывает 40% или более поверхности Земли, и более одного триллиона квадриллионов цианобактериальных клеток, насыщенных пентадеканом, находятся во взвешенном состоянии в залитой солнцем области мирового океана. Однако жизненный цикл этих клеток обычно составляет менее двух дней. В результате, по оценкам исследователей, в любой момент времени в океане содержится всего около 2 миллионов метрических тонн пентадекана.

Валентайн объяснил, что это быстро вращающееся колесо, поэтому фактическое количество, присутствующее в любой момент времени, не особенно велико. "Каждые два дня вы производите и потребляете весь пентадекан в океане", - сказал он.

В будущем исследователи надеются связать геномику микробов с их физиологией и экологией. Команда уже располагает последовательностями генома десятков организмов, которые размножались, потребляя пентадекан в своих образцах. "Количество имеющейся информации невероятно, - сказал Валентайн, - и я думаю, это показывает, как много мы не знаем об экологии многих организмов, потребляющих углеводороды".

Подтвердив существование и масштабы этого биогидроуглеводородного цикла, команда попыталась решить вопрос о том, может ли его присутствие стимулировать океан к расщеплению разлитой нефти. Ключевой вопрос, объяснил Аррингтон, заключается в том, служат ли эти многочисленные микроорганизмы, потребляющие пентадекан, в качестве актива при ликвидации разливов нефти. Чтобы исследовать это, они добавили пентан - нефтяной углеводород, похожий на пентадекан, - в морскую воду, отобранную на различных расстояниях от естественных источников нефти в Мексиканском заливе.

Они измерили общее дыхание в каждом образце, чтобы увидеть, сколько времени потребовалось микробам, поедающим пентан, для размножения. Исследователи выдвинули гипотезу, что если пентадекановый цикл действительно побуждает микробы потреблять и другие углеводороды, то во всех образцах цветение должно происходить с одинаковой скоростью.

Но это было не так. В образцах, взятых вблизи мест просачивания нефти, быстро появились наросты. "Примерно через неделю после добавления пентана мы увидели, как появилась многочисленная популяция", - сказал Валентайн. "И это становится все медленнее и медленнее, чем дальше вы удаляетесь, пока, оказавшись в Северной Атлантике, вы не сможете ждать месяцами и никогда не увидите цветения". Фактически, Аррингтон пришлось остаться после экспедиции на объекте в Вудс-Хоул, штат Массачусетс, чтобы продолжить эксперимент на образцы из Атлантики, потому что эти цветы появлялись так долго.

Интересно, что команда также обнаружила доказательства того, что микробы, принадлежащие к другой области жизни, археи, также могут играть определенную роль в пентадекановом цикле. "Мы узнали, что группа загадочных, распространенных во всем мире микробов, которые еще предстоит одомашнить в лаборатории, может подпитываться пентадеканом на поверхности океана", - сказал соавтор исследования Аррингтон.

Полученные результаты заставляют задаться вопросом, почему наличие огромного пентадеканового цикла, по-видимому, не оказывало никакого влияния на распад нефтехимического пентана. "Нефть отличается от пентадекана, - сказал Валентайн, - и вам нужно понять, в чем заключаются различия и из каких соединений на самом деле состоит нефть, чтобы понять, как на это отреагируют океанские микробы".

В конечном счете, гены, обычно используемые микробами для потребления пентана, отличаются от тех, которые используются для пентадекана. "Микроб, живущий в чистых водах у берегов Бермудских островов, с гораздо меньшей вероятностью столкнется с нефтехимическим пентаном по сравнению с пентадеканом, вырабатываемым цианобактериями, и, следовательно, с меньшей вероятностью будет нести гены потребления пентана", - сказал Аррингтон.

Множество различных видов микроорганизмов могут потреблять пентадекан, но это не означает, что они также могут потреблять другие углеводороды, продолжил Валентайн, особенно учитывая разнообразие углеводородных структур, существующих в нефти. Существует менее дюжины распространенных углеводородов, которые вырабатывают морские организмы, включая пентадекан и метан. Между тем нефть состоит из десятков тысяч различных углеводородов. Более того, сейчас мы видим, что организмы, способные расщеплять сложные нефтепродукты, как правило, в большем изобилии обитают вблизи естественных источников утечки нефти.

Валентайн называет это явление "биогеографическим праймингом" - когда микробная популяция океана привязана к определенному источнику энергии в определенной географической области. "И то, что мы видим в этой работе, - это различие между пентадеканом и нефтью, - сказал он, - которое важно для понимания того, как различные регионы океана будут реагировать на разливы нефти".

Бедные питательными веществами водовороты, такие как Саргассово море, занимают впечатляющие 40% поверхности Земли. Но, игнорируя сушу, это все равно оставляет 30% планеты для изучения других биогидроуглеродных циклов. Валентайн считает, что процессы в регионах с более высокой производительностью будут более сложными и, возможно, обеспечат большее потребление масла. Он также отметил, что проект nature по биологическому производству углеводородов является перспективным для усилий по разработке следующего поколения зеленой энергии.