Wpływ fizjologii fitoplanktonu na klimat globalny

Fitoplankton oceaniczny jest istotnym składnikiem globalnego obiegu węgla, ponieważ dokonuje fotosyntezy, wychwytuje węgiel (C) i transportuje go do głębin oceanu. Wzrost fitoplanktonu zależy nie tylko od węgla, ale także od azotu (N) i fosforu (P), które są niezbędne do ich funkcji komórkowych. Stechiometria fitoplanktonu określa względne proporcje różnych pierwiastków, takich jak C, N i P, w tych organizmach. Istnieją kluczowe powiązania między stechiometrią fitoplanktonu a klimatem poprzez wzajemne powiązania między oceaniczną pompą węglową, obiegiem składników odżywczych, dynamiką sieci troficznej i reakcjami na czynniki związane z klimatem, takie jak atmosferyczny dwutlenek węgla (CO).₂) Stężenie i temperatura.

W latach trzydziestych XX wieku amerykański oceanograf Alfred Redfield dokonał ważnego odkrycia: odkrył, że stężenia pierwiastków C, N i P w fitoplanktonie morskim utrzymują się w mniej więcej stałym stosunku około 106:16:1 – stosunek obecnie nazwany jego imieniem jako Stosunek Redfielda. Co zaskakujące, badania Redfielda wykazały również, że w zebranych przez niego próbkach wody morskiej stężenie azotanów, podstawowego źródła azotu, było średnio 16 razy wyższe niż stężenie fosforanów, niezbędnego źródła fosforu. Stosunki azotu do fosforu (N:P) zarówno w fitoplanktonie, jak i w wodzie morskiej są niezwykle podobne, co wskazuje na silny związek między pulami składników odżywczych molekularnymi (fitoplankton) i rozpuszczonymi (woda morska).

Pytanie, czy stosunek N:P w rozpuszczonej puli kontroluje stosunek w cząstkach stałych i odwrotnie, od dawna stanowi zagadkę dla społeczności naukowców zajmujących się morzem. „To kwestia jaj i kur” – mówi dr. Biochemia. On i jego współpracownicy przeprowadzili obecnie badanie pilotażowe sprawdzające związek między stosunkami azotu i fosforu w rozpuszczonej nieorganicznej materii organicznej i cząsteczkach organicznych w wodzie morskiej. Badanie, opublikowane obecnie w czasopiśmie Science Advances, podkreśla znaczenie zmiennych stosunków C:N:P w fitoplanktonie dla regulowania proporcji rozpuszczonych składników odżywczych w oceanach w skali globalnej i podkreśla, że ​​poziom tlenu w morzu jest krytycznym regulatorem w systemie ziemskim.

Aby zbadać te zależności, autorzy wykorzystali model obliczeniowy fizjologii glonów w połączeniu z modelem systemu ziemskiego, w którym fitoplankton dynamicznie optymalizuje stosunki C:N:P w odpowiedzi na różne warunki środowiskowe. W modelu komputerowym udało im się zmienić właściwości fitoplanktonu i zaobserwować, jak zmieniało to proporcje azotu i fosforu w wodzie.

Przeprowadzili zestaw 400 symulacji, które różniły się minimalną zawartością azotu i fosforu niezbędną do przeżycia glonów. Wyniki modelu ujawniają złożone mechanizmy sprzężenia zwrotnego obejmujące zmiany zawartości azotu i fosforu w fitoplanktonie oraz poziomu tlenu i azotu w oceanach.₂ Utrwalanie przez fitoplankton wiążący azot i denitryfikację. Wyniki modelu podważają zwykle zakładany silny związek między proporcjami składników odżywczych w fitoplanktonie i wodzie morskiej. Zamiast próbować odkryć przyczyny podobieństwa obecnie obserwowanych proporcji między fitoplanktonem a wodą morską, wyniki podkreślają, że te stosunki nie są z natury podobne. Innymi słowy, obserwowane obecnie podobieństwo jest specyficzne dla stanu i stan ten może podlegać zmianom, przynajmniej w skali czasu nieobjętej wieloma dziesięcioleciami obserwacji oceanów in situ.

Ponadto analiza podkreśla potencjalnie znaczący wpływ zawartości azotu i fosforu w fitoplanktonie na zawartość dwutlenku węgla w atmosferze.₂ Poziomy w geologicznych skalach czasu. Tradycyjnie uważano, że różnice w stechiometrii fitoplanktonu oraz w obrębie ekosystemu morskiego mają stosunkowo niewielki wpływ na biogeochemię morza, a tym samym na atmosferyczny CO2.₂ Poziomy. Pogląd ten można obecnie zakwestionować, ponieważ niniejsze badanie wskazuje na potencjalne znaczenie fizjologicznych szczegółów warunków klimatycznych na naszej planecie.

Autorzy wyjaśniają znaczenie ustaleń: „Nasze wyniki pokazują, że stężenie dwutlenku węgla w atmosferze₂ Ponadto temperatura oceanu i powietrza jest niezwykle wrażliwa na zmiany w stechiometrii pierwiastków wynikające ze zmian w fizjologii fitoplanktonu. „Zrozumienie tych powiązań może pomóc naukowcom w sporządzeniu dokładniejszych prognoz dotyczących ewolucji ekosystemów i klimatu naszej planety w przyszłości.