Fitoplankton, sićušni fotosintetski organizmi u okeanu, igraju ključnu ulogu u globalnom ciklusu ugljenika i utiču na klimu Zemlje. Nova studija otkriva kako varijacije u fiziologiji fitoplanktona, posebno u vezi sa unosom hranljivih materija, mogu uticati na hemijski sastav okeana, pa čak i na atmosferu. Ovo sugeriše da promene u fiziologiji morskog fitoplanktona mogu uticati na globalnu klimu.
Fitoplankton u okeanu je centralni za globalni ciklus ugljenika jer obavlja fotosintezu, hvatajući i transportujući ugljenik (C) do dubokog okeana. Rast fitoplanktona se ne oslanja samo na ugljenik, već i na azot (N) i fosfor (P), koji su ključni za njihovo ćelijsko funkcionisanje.
Stehiometrija fitoplanktona definiše relativne proporcije različitih elemenata kao što su C, N i P u ovim organizmima. Ključne veze postoje između stehiometrije fitoplanktona i klime kroz međuzavisnosti između pumpe ugljenika u okeanu, kruženja hranljivih materija, dinamike mreže hrane i odgovora na faktore vezane za klimu kao što su koncentracija i temperatura atmosferskog ugljen-dioksida (CO 2 ).
Tokom 1930-ih, američki okeanograf Alfred C. Redfield napravio je važno otkriće: otkrio je da koncentracije elemenata C, N i P u morskom fitoplanktonu otprilike prate fiksni odnos od približno 106:16:1 – odnos koji je sada nazvan po njemu, odnos Redfild.
Iznenađujuće, Redfieldovo istraživanje je takođe otkrilo da je u uzorcima morske vode koje je sakupio koncentracija nitrata, primarnog izvora hranljivih materija, bila, u proseku, 16 puta veća od koncentracije fosfata, primarnog izvora hranljivih materija fosfora. Odnosi azota i fosfora (N:P) iu fitoplanktonu iu morskoj vodi su izuzetno slični, što ukazuje na snažnu vezu između čestica (fitoplanktona) i rastvorenih (morska voda) bazena hranljivih materija.
Pitanje da li odnos N:P rastvorenog bazena kontroliše odnos u materijalu čestica, ili obrnuto, dugo je zbunjivalo morsku naučnu zajednicu. „To je pitanje kokoške i jajeta“, kaže dr Chia-Te Chien, istraživač u jedinici za istraživanje biogeohemijskog modeliranja u GEOMAR Helmholtz centru za istraživanje okeana u Kilu, koji istražuje ulogu varijabilne stehiometrije fitoplanktona u morska biogeohemija.
Zajedno sa svojim kolegama, sada je sproveo studiju modeliranja koja ispituje odnos između odnosa azota i fosfora u rastvorenim neorganskim i česticama organske materije u morskoj vodi. Studija, koja je sada objavljena u časopisu Science Advances, naglašava važnost promenljivih odnosa C:N:P fitoplanktona za regulisanje odnosa rastvorenih okeanskih hranljivih materija na globalnom nivou i ističe nivoe kiseonika u moru kao kritičnog regulatora u sistemu Zemlje.
Da bi istražili ove odnose, autori su koristili kompjuterski model fiziologije algi povezan sa modelom sistema Zemlje, gde fitoplankton dinamički optimizuje svoje C:N:P odnose kao odgovor na različite uslove životne sredine. U kompjuterskom modelu, mogli su da izmene karakteristike fitoplanktona i posmatraju kako je to promenilo odnos azota i fosfora u vodi.
Izveli su ansambl od 400 simulacija, koje se razlikuju po minimalnom sadržaju azota i fosfora koji je potreban algama da ostanu u životu. Rezultati modela otkrivaju složene mehanizme povratne sprege koji uključuju promene u sadržaju azota i fosfora u fitoplanktonu, nivoe kiseonika u okeanu, fiksaciju N 2 fitoplanktonom koji fiksira azot i denitrifikaciju.
Ovi rezultati modela dovode u pitanje uobičajenu hipotezu jaku vezu između fitoplanktona i odnosa hranljivih materija u morskoj vodi. Umesto da pokušavaju da otkriju razloge za sličnost u trenutno posmatranim odnosima između fitoplanktona i morske vode, rezultati ističu da ti odnosi nisu inherentno slični. Drugim rečima, sličnost, kako se danas primećuje, je specifično stanje, i ovo stanje može biti podložno promenama, barem u vremenskoj skali koja nije pokrivena višedecenijskim posmatranjem okeana in situ.
Pored toga, analiza naglašava potencijalno značajan uticaj kvota azota i fosfora za potrebe fitoplanktona na nivoe CO 2 u atmosferi na geološkim vremenskim skalama. Tradicionalno, smatralo se da stehiometrijske varijacije fitoplanktona i unutar morskog ekosistema imaju relativno mali uticaj na morsku biogeohemiju i, posledično, nivoe CO 2 u atmosferi. Ovaj stav bi se sada mogao dovesti u pitanje, jer ova studija ukazuje na potencijalnu važnost fiziološkog detalja za klimatske uslove na našoj planeti.
Autori objašnjavaju značaj nalaza: „Naši rezultati pokazuju da su koncentracija atmosferskog CO 2 kao i temperatura okeana i vazduha izuzetno osetljivi na varijacije u elementarnoj stehiometriji izazvane promenama u fiziologiji fitoplanktona.“ Razumevanje ovih veza moglo bi pomoći naučnicima da naprave preciznija predviđanja o tome kako će se ekosistemi i klima naše planete razvijati u budućnosti.
