С 1934 года соотношение Редфилда - повторяющееся соотношение 106:16:1 углерода, азота и фосфора (C:N:P) в фитопланктоне и пути, по которым эти элементы циркулируют во всех частях Земли - является краеугольным камнем океанографии. Хотя различия в соотношении C:N:P существуют и наблюдаются в разных биомах океана, до сих пор не было установлено способа количественно оценить или предсказать эти различия. Однако новое исследование профессора Университета Род-Айленда может помочь заполнить пробелы для ученых, изучающих и пытающихся понять эти различия.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience и написанное Кейсуке Иномурой, доцентом океанографии в Высшей школе океанографии URI, совместно с командой из Университета Вашингтона, Массачусетского технологического института и Принстонского университета, может также иметь значимые последствия для исследования климата.

Фитопланктон, необходимый для водных экосистем во всем мире, обеспечивает пищей почти всех морских обитателей; он также осуществляет фотосинтез - принимает солнечный свет, воду и углекислый газ и выделяет кислород и углерод. Помимо выработки половины кислорода в нашей атмосфере, фитопланктон также влияет на экспорт и хранение углерода в глубинах океана, что, в свою очередь, может влиять на состав углекислого газа в атмосфере. На экспорт углерода существенно влияет соотношение C:N:P, поскольку это соотношение показывает, сколько углерода производится по отношению к доступным питательным веществам (т.е. азоту и фосфору).

При изучении соотношения C:N:P исследования показали, что в то время как соотношение C:N остается относительно стабильным, соотношение N:P или C:P может значительно меняться в зависимости от широты - более высокое соотношение в субтропиках и более низкое соотношение в высоких широтах, таких как Северный или Южный океаны. Но до сих пор не было известно, почему. Чтобы ответить на этот вопрос, команда включила макромолекулярную модель фитопланктона в глобальную общую циркуляционную и биогеохимическую модель - по сути, представив молекулярный состав фитопланктона в вычислительной модели, которая также учитывает циркуляцию океана и круговорот питательных веществ.

"Мы проанализировали существующие данные о малом и большом фитопланктоне, рассмотрели их состав - белки, углеводы, липиды, ДНК, РНК и т.д. - и связь этих макромолекул друг с другом, как они получают свет и питательные вещества и используют их для воспроизводства или роста, - говорит Иномура. Взаимосвязь между количеством веществ, участвующих в реакции или образующих соединение, известна как стехиометрия. "Определив количество каждого из этих веществ в фитопланктоне в рамках новой модели и включив ее в структуру океана, мы можем предсказать или смоделировать и проанализировать, как соотношение C:N:P будет меняться в океане и почему".

Выводы показывают, что если относительно небольшая вариация соотношения C:N обусловлена в основном общими для всего фитопланктона стратегиями физиологической адаптации, то большая вариация N:P зависит в основном от того, какой планктон существует - крупный или мелкий.

Новая модель добавляет беспрецедентный уровень ранее недоступной детализации макромолекулярного распределения фитопланктона и его акклиматизации к изменяющимся условиям окружающей среды на основе эмпирических данных. Модель может использоваться для прогнозирования и интерпретации распределения макромолекул в фитопланктоне в океане, обеспечивая основу для прогнозирования биологических и экологических реакций на изменение климата.

"Ответить на большой исследовательский вопрос всегда интересно с академической точки зрения", - говорит Иномура. "И, конечно, модели становятся более интересными и гораздо более полезными, когда они основаны на эмпирических данных. Но то, что мы сделали, включив такой уровень детализации в нашу модель, - это помогло соединить точки для исследователей, предоставив реальный прогноз соотношения элементов в океане - в том числе в тех местах, куда исследователи не могут добраться".

Иномура считает, что эта работа может привести к созданию климатической модели следующего поколения. Дополнительный уровень детализации макромолекулярной модели может сыграть важную роль в прогнозировании будущих изменений соотношения C:N:P в океане и влияния этих изменений на состав углекислого газа в атмосфере и температуру.

"Мы еще многого не знаем об изменении климата. Биологический аспект в современных климатических моделях является одной из областей, в которой существует неопределенность", - говорит Иномура. "Мы надеемся, что эта модель поможет лучше определить эту часть".