Neues Modell beleuchtet den Tag-Nacht-Zyklus im globalen Ozean

Phytoplankton ist die Grundlage allen Lebens auf dem Planeten. Zu verstehen, wie diese photosynthetischen Organismen auf ihre Meeresumwelt reagieren, ist wichtig, um den Rest des Nahrungsnetzes zu verstehen.

Trotzdem beinhalten Computermodelle der globalen Meeresbiogeochemie typischerweise nicht den Tag/Nacht (Diel)-Lichtzyklus, obwohl dieser Zyklus für die Photosynthese in den Primärproduzenten des Ozeans entscheidend ist.

Erstmals haben Wissenschaftler des Ecosystems Center am Marine Biological Laboratory (MBL) den Dielkreislauf in ein globales Ozeanmodell eingebunden, um seine Auswirkungen auf das Phytoplankton zu untersuchen. Ihre Studie, veröffentlicht in Globale Ökologie und Biogeographieuntersucht erstmals, wie sich der Tag-Nacht-Zyklus auf die Biogeographie und Diversität dieser Primärproduzenten auswirkt.

Das Modell bot 15 simulierten Phytoplanktonarten natürliche Licht- und Dunkelzyklen über dem globalen Ozean. Es wurde dann mit einer Kontrollsimulation verglichen, die dasselbe Planktonmodell verwendete, aber mit Licht beleuchtet wurde, das über 24-Stunden-Zeiträume gemittelt wurde. Ziel war es zu sehen, wie sich die Lichtzyklen auf die Produktivität des Phytoplanktons auswirkten und die Dynamik der Nährstoffkonzentration veränderten.

Das simulierte Phytoplankton hatte alle unterschiedliche Zellgrößen und wurde in zwei verschiedene Gruppen mit zwei breiten ökologischen Strategien eingeteilt. „Gleaners“ simulierten kleinere Zellen mit hoher Nährstoffaffinität (was bedeutet, dass sie Nährstoffe aus der Wassersäule aufnehmen konnten, selbst wenn diese Nährstoffe in geringen Mengen vorhanden waren), aber langsames Wachstum, und „Opportunisten“ simulierten größere Zellen mit höherer maximaler Wachstumsrate, aber geringer Nährstoffaffinität (was bedeutet, dass sie in nährstoffreichem Wasser besser abschneiden). Dies waren Darstellungen von echtem Phytoplankton basierend auf Parametern aus Laborkulturen.

Die Forscher fanden heraus, dass der Diel-Zyklus für das simulierte Phytoplankton tatsächlich von Bedeutung war.

„Wir wissen, dass viele Merkmale verschiedener Phytoplanktons auf dem Tag-Nacht-Zyklus basieren. Einige Dinoflagellen gehen tiefer [in the water column] um mehr Nährstoffe zu erhalten und dann zur Photosynthese aufzusteigen. Einige speichern Kohlenstoff tagsüber, damit sie ihn nachts nutzen können“, sagt Ioannis Tsakalakis, MBL-Postdoktorand und Erstautor der Veröffentlichung.

Das Modell zeigte, dass Diel-Zyklen mit höheren Konzentrationen begrenzter Nährstoffe verbunden sind, was bedeutete, dass die simulierten Opportunisten in niedrigeren Breiten (–40 ° bis 40 °) im Vergleich zur Kontrollsimulation häufiger vorkamen als die Ährenleser. Dies schließt Phytoplankton wie Diatomeen ein. Dieser Mechanismus wurde in höheren Breiten weniger wichtig, wo die Auswirkungen des jahreszeitlichen Lichtzyklus stärker waren als die Tag/Nacht-Zyklen.

Wenn Wissenschaftler nicht verstehen, wie Phytoplankton seine Energie als Primärproduzenten an der Basis des Nahrungsnetzes erhält, ist es schwierig, Rückschlüsse auf die Wechselwirkungen des Restes dieses globalen Nahrungsnetzes der Ozeane zu ziehen – bis hin zum Menschen.

Warum also hat noch niemand den Diel-Zyklus aufgenommen?

Der globale Ozean ist riesig, und die Modelle, die ihn darstellen, sind es auch. Um mit der Komplexität dessen fertig zu werden, was im Ozean passiert, vereinfachen Modellierer oft bestimmte Prozesse. Typische Modelle berücksichtigen nur saisonale Lichtverschiebungen, anstatt die feineren Details des Tag/Nacht-Zyklus hinzuzufügen. Dies ist hauptsächlich eine rechnerische Entscheidung, sagt MBL Senior Scientist Joe Vallino, Seniorautor des Papiers. „Wenn Sie im Allgemeinen keine feinen Zeitdetails auflösen, [the models] schneller laufen.“

„Sie drängen gegen die Hardwarebeschränkungen“, sagt Vallino. „Sie wollen nicht, dass eine 10-Jahres-Simulation 10 Jahre für die Simulation benötigt.“

Aber mit fortschreitendem Klimawandel ist es wichtig zu verstehen, wie der Ozean funktioniert, um zu verstehen, wie sich die globale Erwärmung und der erhöhte Kohlendioxidgehalt auf ihn auswirken.

„Dieses Modell trägt dazu bei, unser grundlegendes Verständnis der Funktionsweise des Ozeans zu verbessern“, sagt Vallino und fügt hinzu, dass Wissenschaftler, wenn sie bessere Ozeanmodelle erstellen, diese schließlich verwenden können, um mögliche Lösungen für den Klimawandel zu untersuchen und gleichzeitig unbeabsichtigte Folgen zu minimieren.

„Vorhersagen zu können, wie sich die Verteilung von Phytoplankton verändern wird, wird Auswirkungen auf das Nahrungsnetz haben“, sagt Vallino. „Wenn Sie diese Basisänderung nicht richtig hinbekommen, können Sie nichts erreichen, was mit dem darüber verbundenen verbunden ist.“