Seit 1934 ist das Redfield-Verhältnis – das wiederkehrende Verhältnis von 106:16:1 von Kohlenstoff zu Stickstoff zu Phosphor (C:N:P) im Phytoplankton und die Wege, auf denen diese Elemente in allen Teilen der Erde zirkulieren – a Eckpfeiler der Ozeanographie. Während Unterschiede in den C:N:P-Verhältnissen bestehen und in Ozeanbiomen beobachtet wurden, gab es bisher keine etablierte Methode, um diese Variation zu quantifizieren oder vorherzusagen. Eine neue Studie eines Professors der University of Rhode Island könnte jedoch dazu beitragen, die Lücken für Wissenschaftler zu füllen, die diese Unterschiede untersuchen und versuchen, sie zu verstehen.
Die Studie, erschienen in Natur Geowissenschaften und geschrieben von Keisuke Inomura, Assistenzprofessor für Ozeanographie an der URI Graduate School of Oceanography, mit einem Team der University of Washington, des Massachusetts Institute of Technology und der Princeton University, könnte auch bedeutende Auswirkungen auf die Klimaforschung haben.
Phytoplankton ist für aquatische Ökosysteme auf der ganzen Welt unverzichtbar und bietet Nahrung für fast alle Meereslebewesen. Sie betreiben auch Photosynthese – sie nehmen Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid auf und setzen Sauerstoff und Kohlenstoff frei. Phytoplankton erzeugt nicht nur die Hälfte des Sauerstoffs in unserer Atmosphäre, sondern wirkt sich auch auf den Kohlenstoffexport und die Kohlenstoffspeicherung in der Tiefsee aus, was wiederum die Zusammensetzung von Kohlendioxid in der Atmosphäre beeinflussen kann. Der Kohlenstoffexport wird wesentlich von den C:N:P-Verhältnissen beeinflusst, da das Verhältnis angibt, wie viel Kohlenstoff im Verhältnis zu den verfügbaren Nährstoffen (dh Stickstoff und Phosphor) produziert wird.
Bei der Untersuchung der C:N:P-Verhältnisse haben Studien gezeigt, dass C:N zwar relativ stabil bleibt, das Verhältnis von N:P oder C:P jedoch je nach Breitengrad erheblich variieren kann – mit höheren Verhältnissen in den Subtropen und niedrigeren Verhältnissen in hohen Breiten wie das Arktische oder Südliche Meer. Was nicht bekannt ist, ist warum. Um diese Frage zu beantworten, integrierte das Team ein makromolekulares Modell des Phytoplanktons in ein globales allgemeines Zirkulations- und biogeochemisches Modell – und führte im Wesentlichen die molekulare Zusammensetzung innerhalb des Phytoplanktons in ein Rechenmodell ein, das auch die Meereszirkulation und den Nährstoffkreislauf berücksichtigt.
„Wir haben vorhandene Daten zu kleinem und großem Phytoplankton analysiert und uns ihre Zusammensetzung angesehen – Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, DNA, RNA usw. – und die Beziehung dieser Makromoleküle zueinander, wie sie Licht und Nährstoffe aufnehmen und nutzen replizieren oder wachsen“, sagte Inomura. Das Verhältnis zwischen Stoffmengen, die an einer Reaktion teilnehmen oder eine Verbindung bilden, wird als Stöchiometrie bezeichnet. „Indem wir in einem neuen Modell auflösen, wie viel von jedem im Phytoplankton vorhanden ist, und dies in ein Ozean-Framework integrieren, sind wir in der Lage, vorherzusagen oder zu simulieren und zu analysieren, wie das Verhältnis von C:N:P im gesamten Ozean variieren wird und warum.“
Die Ergebnisse zeigen, dass es zwar eine relativ geringe Variation im Verhältnis von C:N gibt, die hauptsächlich durch gemeinsame physiologische Anpassungsstrategien über das gesamte Phytoplankton getrieben wird, die größere Variation von N:P jedoch hauptsächlich davon beeinflusst wird, welches Plankton existiert – ob groß oder klein.
Das neue Modell fügt basierend auf empirischen Daten eine beispiellose Detailebene zur makromolekularen Zuordnung von Phytoplankton hinzu und wie es sich an sich ändernde Umweltbedingungen anpasst. Das Modell kann verwendet werden, um makromolekulare Verteilungen im Phytoplankton im Ozean vorherzusagen und zu interpretieren, wodurch ein Rahmen für die Vorhersage biologischer und ökologischer Reaktionen auf den Klimawandel bereitgestellt wird.
„Es ist immer akademisch interessant, eine große Forschungsfrage zu beantworten“, sagte Inomura. „Und natürlich machen Modelle mehr Spaß und sind viel nützlicher, wenn sie auf empirischen Daten basieren. Aber was wir getan haben, indem wir diese Detailebene in unser Modell aufgenommen haben, ist, Forschern dabei zu helfen, die Punkte zu verbinden, indem wir eine reale lebensbasierte Vorhersage des Elementverhältnisses überall im Ozean – auch an Orten, an die Forscher nicht gelangen können.
Inomura glaubt, dass diese Arbeit zu einem Klimamodell der nächsten Generation führen könnte. Der zusätzliche Detaillierungsgrad des makromolekularen Modells kann bei der Vorhersage zukünftiger Änderungen des C:N:P-Verhältnisses des Ozeans und der Auswirkungen dieser Änderungen auf die atmosphärische Zusammensetzung von Kohlendioxid und Temperatur hilfreich sein.
„Es gibt noch vieles, was wir über den Klimawandel nicht wissen. Der biologische Aspekt in aktuellen Klimamodellen ist ein Bereich, der für Unsicherheit gesorgt hat“, sagte Inomura. „Wir hoffen, dass dieses Modell dazu beitragen wird, diesen Teil besser zu bestimmen.“
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Keisuke Inomura et al., Globale Muster in der Stöchiometrie organischer Meeressubstanz, angetrieben durch die Phytoplankton-Ökophysiologie, Natur Geowissenschaften (2022). DOI: 10.1038/s41561-022-01066-2