Какое отношение физиология фитопланктона имеет к глобальному климату

Новости сегодня - Какое отношение физиология фитопланктона имеет к глобальному климату

Фитопланктон, крошечные фотосинтезирующие организмы в океане, играют решающую роль в глобальном углеродном цикле и влияют на климат Земли. Новое исследование показывает, как различия в физиологии фитопланктона, особенно в отношении поглощения питательных веществ, могут влиять на химический состав океана и даже атмосферы. Это говорит о том, что изменения в физиологии морского фитопланктона могут повлиять на глобальный климат.

Фитопланктон в океане играет центральную роль в глобальном углеродном цикле, поскольку он осуществляет фотосинтез, улавливая и транспортируя углерод (С) в глубины океана. Рост фитопланктона зависит не только от углерода, но также от азота (N) и фосфора (P), которые имеют решающее значение для их клеточного функционирования.

Стехиометрия фитопланктона определяет относительные пропорции различных элементов, таких как C, N и P, в этих организмах. Ключевые связи существуют между стехиометрией фитопланктона и климатом через взаимозависимости между океаническим углеродным насосом, круговоротом питательных веществ , динамикой пищевой сети и реакцией на связанные с климатом факторы, такие как концентрация углекислого газа (CO 2 ) в атмосфере и температура.

В 1930-х годах американский океанограф Альфред Редфилд сделал важное открытие: он обнаружил, что концентрации элементов C, N и P в морском фитопланктоне примерно соответствуют фиксированному соотношению примерно 106:16:1 — соотношению, которое сейчас названный в его честь коэффициент Редфилда.

Удивительно, но исследования Редфилда также показали, что в собранных им образцах морской воды концентрация нитратов, основного источника питательных веществ азота, была в среднем в 16 раз выше, чем концентрация фосфатов, основного источника питательных веществ фосфора. Соотношения азота и фосфора (N:P) как в фитопланктоне, так и в морской воде удивительно схожи, что указывает на сильную связь между пулами питательных веществ в виде твердых частиц (фитопланктон) и растворенных (морская вода).

Вопрос о том, контролирует ли соотношение N:P в растворенном пуле соотношение в твердых частицах или наоборот, долгое время озадачивал морское научное сообщество. «Это вопрос курицы и яйца», — говорит доктор Чиа-Те Чиен, исследователь отдела биогеохимического моделирования Центра океанических исследований ГЕОМАР имени Гельмгольца в Киле, который исследует роль переменной стехиометрии фитопланктона в морская биогеохимия.

Вместе со своими коллегами он сейчас провел моделирование, изучающее взаимосвязь между соотношениями азота и фосфора в растворенных неорганических и твердых частицах органического вещества в морской воде. Исследование, опубликованное в журнале Science Advances , подчеркивает важность переменных соотношений C:N:P в фитопланктоне для регулирования соотношения растворенных в океане питательных веществ в глобальном масштабе и подчеркивает уровень морского кислорода как важнейшего регулятора в системе Земли.

Чтобы исследовать эти взаимосвязи, авторы использовали компьютерную модель физиологии водорослей в сочетании с моделью системы Земли, в которой фитопланктон динамически оптимизирует соотношение C:N:P в ответ на изменяющиеся условия окружающей среды. В компьютерной модели они могли изменить характеристики фитопланктона и наблюдать, как это меняет соотношение азота и фосфора в воде.

Они провели ансамбль из 400 симуляций, которые отличаются минимальным содержанием азота и фосфора, необходимым водорослям для выживания. Результаты моделирования показывают сложные механизмы обратной связи, включающие изменения содержания азота и фосфора в фитопланктоне, уровня кислорода в океане, фиксации N 2 азотфиксирующим фитопланктоном и денитрификации.

Результаты этих моделей бросают вызов широко распространенной гипотезе о сильной связи между соотношением питательных веществ в фитопланктоне и морской воде. Вместо того, чтобы попытаться раскрыть причины сходства наблюдаемых в настоящее время соотношений между фитопланктоном и морской водой, результаты подчеркивают, что эти соотношения не являются похожими по своей сути. Другими словами, сходство, наблюдаемое в наши дни, представляет собой специфическое состояние, и это состояние может быть подвержено изменению, по крайней мере, во временном масштабе, не охватываемом многими десятилетиями наблюдений за океаном in situ.

Кроме того, анализ подчеркивает потенциально существенное влияние квот азота и фосфора, существующих в фитопланктоне, на уровни CO 2 в атмосфере в геологических временных масштабах. Традиционно считалось, что стехиометрические вариации фитопланктона и внутри морской экосистемы оказывают относительно незначительное влияние на морскую биогеохимию и, следовательно, на уровни CO 2 в атмосфере . Теперь эта точка зрения может быть подвергнута сомнению, поскольку это исследование указывает на потенциальную важность физиологических деталей для климатических условий на нашей планете.

Авторы объясняют значимость полученных результатов: «Наши результаты показывают, что концентрация CO 2 в атмосфере , а также температура океана и воздуха чрезвычайно чувствительны к изменениям в элементарной стехиометрии, вызванным изменениями в физиологии фитопланктона». Понимание этих связей может помочь ученым сделать более точные прогнозы о том, как экосистемы и климат нашей планеты будут развиваться в будущем.

Новости партнеров: