Фитопланктон — фотосинтезирующие микроскопические организмы, населяющие верхний залитый солнцем слой океана — играют важную роль в управлении круговоротом углерода, питательных веществ и кислорода. Новое исследование, проведенное Тимоти ДеВрисом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Кертисом Дойчем из Вашингтонского университета, показывает трехкратное изменение в зависимости от широты отношения потребляемого кислорода к фосфору, выделяемому во время дыхания органических веществ. Результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Geoscience, демонстрируют, как изменение климата может повлиять на соотношение углерода, кислорода и питательных веществ в подповерхностном океане.Подобно деревьям и растениям на поверхности Земли, фитопланктон поглощает питательные вещества и углерод, которые перерабатываются и высвобождаются в виде органического вещества, которое опускается под поверхность океана.
В этом исследовании ДеВриз и Дойч сосредоточились в первую очередь на глубине 200 метров, что ниже световой зоны. Без света фотосинтез невозможен. Еще раз имитируя биологические процессы, происходящие на поверхности Земли, морские микробы в океане потребляют органическое вещество и используют кислород для его дыхания.
Ученые подсчитали, сколько кислорода микробы использовали на единицу потребленного фосфора, выраженное в виде отношения O2: P. «Интересно то, что это соотношение сильно различается», — сказал Де Вриз, недавно назначенный доцент кафедры географии UCSB и Института исследования Земли на территории кампуса.«Мы не можем определить, что изменяется в соотношении, но, основываясь только на основных химических и биологических особенностях, мы знаем, что это, вероятно, в значительной степени из-за изменений в соотношении углерода и фосфора в органическом веществе, которое потребляют микробы. ", — добавил ДеВрис. «Таким образом, высокое соотношение C: P коррелирует с высоким соотношением O2: P при дыхании. Чем больше углерода содержится в органическом веществе, тем больше кислорода требуется для его дыхания.Мы совершенно уверены, что соотношение O2: P микробного дыхания, которое мы наблюдаем, коррелирует с соотношением C: P фитопланктона.
Были измерения этого в поверхностном океане, и эти измерения коррелируют с тем, что мы видим в недрах ».Такие соотношения, известные как стехиометрия, описывают относительные количества реагентов и продуктов в химических реакциях. Модель циркуляции океана и глобальная климатология кислорода и фосфата, используемые ДеВрисом и Дойчем, позволили им обнаружить сильные региональные различия в соотношениях вдыхаемого кислорода и фосфора в подповерхностном океане.
Предыдущие анализы не смогли обнаружить эти вариации из-за очень упрощенного представления процессов перемешивания океана. Кроме того, исследователи заявили, что вариации соотношений показывают тесную корреляцию с условиями окружающей среды на поверхности океана.
Центральное место в результатах моделирования команды занимает то, как эти пространственные вариации соотносятся с различными биомами или экосистемами поверхности океана. По словам ДеВриса, некоторые участки поверхности океана содержат мало питательных веществ, но много солнечного света; в других областях наблюдается противоположная комбинация: тусклый свет и много питательных веществ.«Одна из причин, по которой это важно, заключается в том, что в океане, который становится теплее в условиях изменения климата, мы ожидаем увеличения количества областей океана, которые имеют больше света и бедны питательными веществами», — сказал ДеВриз. «Основываясь на этих закономерностях, мы ожидаем, что это приведет к сдвигу сообщества фитопланктона к более высокому соотношению C: P. Если произойдет сдвиг в сторону этого режима, в океане будет накапливаться больше углерода, чем в соответствующей ситуации, в которой нет сдвиг."«На самом деле это хорошо», — отметил ДеВриз.
Фитопланктон поглощает больше углерода, потому что он подвергается большему воздействию света и меньшему количеству питательных веществ, что может помочь компенсировать прогнозируемое замедление поглощения океаном углекислого газа из атмосферы. «По мере потепления климата Земли это приведет к расслоению океанов и уменьшению их способности поглощать СО2, в результате чего потепление ускорится еще быстрее», — продолжил ДеВриз. «Этот сдвиг в соотношении C: P, который мы прогнозируем, может немного замедлить ускорение, но не остановить его полностью».Связанный с этим вопрос заключается в том, как изменится уровень кислорода в океане в будущем. «По мере того, как океан нагревается, а вода содержит меньше кислорода, регионы с низким содержанием кислорода будут расширяться, и это создаст большой стресс для морских животных», — заключил ДеВриз. «Насколько они расширяются и сможем ли мы предсказать степень, будет зависеть от типов стехиометрической изменчивости, которые мы видим в этом исследовании».