Фосфор, железо и глобальное потепление

"Голубая Планета" - неофициальное название Земли, или Терры - единственной планеты солнечной системы на которой существует жизнь. Так на настоящий момент принято считать...

....

Источник изображения pixabay.com
....

Этимология названия "Голубая Планета" очевидна - на всех фотографиях сделанных из космоса наше небесное тело выглядит как бело-голубой шар. Голубой и синий оттенок земному шару придают водные пространства, реки, моря и океаны, поверхность которых поглощает в первую очередь длинноволновые части видимого спектра - желтый и красный цвет, а отражает синий и голубой.

А океаны и моря занимают две трети поверхности, один только Тихий океан раскинулся почти на половину Земного шара. И с точки зрения внешнего наблюдателя нашу планету следовало назвать не Землей, а Водой. Или Пустыней. Голубой Безжизненной Пустыней...

Безжизненная Планета
Как это ни парадоксально, но это так - Земля скорее малообитаемая планета чем наоборот. Гораздо менее заселенная жизнью, чем она могла бы быть - в любом случае. Разумеется, биосфера покрывает всю Землю, - но сама биосфера это тончайшая пленка, и большая часть территории планеты обитаема очень незначительно. Пустыни и высокогорья, полярные области, зоны промышленной инфраструктуры, города и дороги - это белые пятна биосферы - жизнь там скорее выживает чем процветает и развивается. И кроме того, большую часть Мирового океана также можно назвать безжизненной...

Водяная пустыня
Говорят, Федор Конюхов, знаменитый путешественник, заметил однажды, что Тихий океан вымирает, что он превратился в пустыню. Впрочем, не он один, несколько веков ранее Фернан Магеллан тоже сетовал на безжизненность Тихого океана - за более чем стодневное плавание по его просторам матросам Магеллана не удалось выудить ни одной рыбы, ее просто не было - команде приходилось есть воловью кожу и охотиться на крыс. И это факт - большая часть мирового океана - малообитаемая пустыня. Научный факт.
....

Источник изображения здесь
....

Вот наглядное изображение реальной ситуации. Это концентрация хлорофилла в мировом океане в мг/куб. метр ( среднегодовые данные за восемь лет). По сути это карта жизни океанических вод, хлорофилл - это фитопланктон, который является основой пищевой пирамиды. Если есть фитопланктон - значит есть и протисты, рачки, головоногие, рыба, киты... Обратите внимание - жизнь кипит в высоких широтах и в прибрежных районах, а вот в центральных частях мирового океана концентрация хлорофилла несопоставима мала.

Почему так происходит? Почему в высоких широтах вода благоприятна для жизни, а в Индийском океане нет? Ведь напротив - все должно быть наоборот - количество солнечной радиации на экваторе гораздо больше чем на севере и продукция фитопланктона там должна быть гораздо значительней?

Ответ известен - для образования живого вещества катастрофически не хватает необходимых веществ. Но не всех. Углерода, или основы жизни как его называют, достаточно - он находится в атмосфере в виде углекислоты. Азот, или вернее будет сказать - окисленные формы азота, образуются из атмосферного N2 в результате деятельности океанических азотфиксирующих микроорганизмов. Серы немало в окружающей среде в виде оксидов - в том числе и благодаря человеку, который давно "загрязняет" атмосферу соединениями серы. Не хватает одного элемента, важнейшего органогена - фосфора.

Фосфорный кризис
На самом деле с момента зарождения жизни на планете большая часть океанической биосферы существует в состоянии острого недостатка фосфора. Сам элемент не является редким - но в природном обороте фосфора практически отсутствует газовая фаза - многие его соединения нерастворимы и фосфор просто теряется, он выпадает из оборота подвергаясь вертикальной нисходящей миграции и становится частью донных отложений.

В северных и прибрежных районах часть элементов возвращается в биосферу благодаря так называемому апвеллингу (upwelling) - выходу глубинных течений на поверхность, а также вследствие выноса необходимых веществ с речным стоком. Поэтому там так высока первичная продукция фитопланктона, поэтому основное количество живого вещества сосредоточенно именно там, - и там, кстати, находятся основные рыбопромысловые области, и именно из этих районов человечество удовлетворяет значительную часть своих пищевых потребностей.

Но в большей части Тихого и Индийского океанов первичная продукция фитопланктона крайне мала - на несколько порядков меньше чем, например, в северной Атлантике. Там просто негде взяться фосфору - апвеллинг незначителен из-за больших глубин, а возможность поступления элементов из других океанических областей вместе с течениями ограниченна вследствие особенностей поверхностной циркуляции.

....

Карта поверхностных тихоокеанических течений.
Источник рисунка ru.wikipedia.org
....
Как видно - основная часть вод Тихого океана движется "по кругу" - некоторый приток из других областей, разумеется, существует - но он явно незначителен. В Индийском океане наблюдается сходная ситуация.

И только на больших глубинах океанов, в придонном слое - в полной темноте и при низких температурах процветает жизнь, парадоксально, но это так - отсутствие света, неблагоприятная температура, огромное давление - не являются препятствием для существования живого вещества, если в достаточном количестве имеются элементы необходимые для биосинтеза...

Соотношение Редфильда
Американский океанолог Альфред Редфильд сформулировал это соотношение еще в 30х года прошлого столетия. Количество элементов необходимых для синтеза живого вещества должно соответствовать определенной пропорции - 106 атомов углерода, 16 атомов азота и 1 атом фосфора - 106:16:1, - углерод, азот, фосфор. И если недостатка углерода (СО2) в атмосфере нет, азота тоже относительно немало - то фосфора очень часто не хватает. Фосфор, низкая концентрация его соединений - вот основной лимитирующий фактор.

Эволюция так и не смогла решить этой проблемы - из-за недостатка фосфора большая часть планеты, половина – мало заселенна жизнью, и фактически пустует. Не существует живых организмов способных существовать без фосфора. Но только во время глобального похолодания, в так называемые "ледниковые периоды" когда из-за обмеления мирового океана часть донных отложений становиться сушей и подвергается эрозии - океаническая биосфера получает так необходимые ей соединения фосфора.

Хотя, по-видимому, иногда фосфорный пул несколько пополняется в результате извержений подводных вулканов, но это не такое распространенное явление...

По сути, мы живем в эпоху глобального эволюционного кризиса - жизнь на суше все больше подвергается отрицательному антропогенному влиянию, но при этом, на бескрайних океанических просторах возможности биосферы крайне ограниченны из-за действия основного лимитирующего фактора - недостатка одного из главных органогенов.
....

Источник фото pixabay.com
....

Глобальное потепление
Если принято считать, что глобальное потепление имеет своей причиной повышение концентраций парниковых газов в земной атмосфере - то глобальное потепление имеет некоторое отношение к проблеме дефицита фосфора. Если мы на мгновение предположим, что человечеству удастся каким-либо образом "удобрить" мировой океан фосфором - то проблема повышенных концентраций углекислого газа отпадет сама собой. Мировой океан сможет аккумулировать в себе значительные количества углерода на многие века. И не только...

При том количестве солнечной радиации падающей ежедневно на поверхность Тихого и Индийского океанов в тропиках и субтропиках - первичная продуктивность фитопланктона в этих районах должна будет возрасти не в разы, а на порядки, и гораздо значительней, чем в северных областях акватории.

Мировой океан станет живым - это не только снимет проблему повышенной концентрации СО2, не только полностью обеспечит десятки миллиардов человеческих существ продуктами питания, нет - это будет качественный и количественный скачек для эволюции всей земной биосферы. Плотность и масса живого вещества возрастут многократно. Планета станет живой. И океаны станут не голубыми, а лазурными, зелеными...

Кто знает - возможно, истинная миссия человеческого рода - это не освоение космоса, и не создание интернета? Возможно, мы созданы Природой для решения проблемы фосфорного дефицита биосферы? Люди - это тоже часть биосферы, мы порождение живой природы, результат ее эволюции, а возможно даже ее инструмент для осуществления своих целей…

По силам ли человечеству сейчас осуществить подобные изменения? Нет. Это фантастика. Организовать апвеллинг в некоторых районах акватории Земного шара - на настоящий момент это нереализуемая задача. Просто удобрить морские просторы соединениями фосфора? Нет у человечества возможности хотя бы на доли процента компенсировать фосфорный дефицит мирового океана. И фосфора столько нет. А огромные плавучие заводы по синтезу фосфора из легких элементов - это даже теоретически непредставимая и нереализуемая выдумка. Фантастика...

Не фантастика
Вот интересная статья "Effect of natural iron fertilization on carbon sequestration in the Southern Ocean (Nature. 2007)". В статье приводятся результаты многолетних исследований и делаются выводы о связи элементного состава акватории со способностью мирового океана к ассимиляции углекислого газа из атмосферы.

Это исследование не имеет прямого отношения к проблеме дефицита соединений фосфора, но дело в том, что в некоторых областях мирового океана продукция фитопланктона бывает снижена из-за дефицита железа, при достаточном количестве других органогенов. Такие области называются -" high-nutrient low-chlorophyll" (много органогенов и мало хлорофилла) или - "Областями HNLC".

Так как часть мирового океана является "HNLC областями", то существует возможность искусственного обогащения таких областей соединениями железа с целью повышения первичной продукции фитопланктона. Следующее исследование доказывает принципиальную возможность реализации таких планов - "Mesoscale Iron Enrichment Experiments 1993-2005: Synthesis and Future Directions".

Железо это не органоген - это микроэлемент ответственный за работу многих биологических процессов живой клетки и необходимый для азотфиксации осуществляемой азотфиксирующими цианобактериями.
....

Fe Mo кофактор - часть фермента нитрогеназы при помощи которого происходит фиксация молекулярного азота. В составе присутствуют железо и молибден. (Cys) и (His) остатки цистеина и гистидина соответственно.
Источник рисунка en.wikipedia.org
....
В исследовании говорится о том, что, по крайней мере, на трети площади мирового океана можно добиться значимого повышения продукции фитопланктона путем прямого удобрения океана соединениями железа. По крайней мере - если не треть океана - то некоторые отдельные районы "удобрить" вполне возможно даже при настоящем развитии техники. В статье также оценивается увеличение способности океана поглощать углекислый газ в результате его "удобрения" соединениями железа.
....

При наличии в морской воде большого количества фотосинтезирующих микроорганизмов вода приобретает лазурный или зеленоватый оттенок.
Источник фото pixabay.com

....

Люди вплотную подходят к вопросу коррекции минерального состава биосферы. Пока на теоретическом уровне. Но это пока... Технический прогресс не остановить, и легко представить, что уже в этом веке у человечества действительно появится возможность преодолеть фосфорный кризис - сделать наполовину безжизненную "Голубую Планету" - живой "Зеленой Планетой"...

Текст авторский