Моделирование микроводорослей для лучшего понимания работы океана

Океан поглощает четверть CO₂, выделяемого в результате деятельности человека, что играет важную роль в замедлении изменения климата. Лучшее понимание этих процессов имеет решающее значение для понимания роли океана в глобальной климатической системе и для лучшего прогнозирования нарушений, вызванных изменением климата.

Цифровые модели являются одними из наиболее часто используемых инструментов для этого. Они представляют климат на виртуальной планете Земля и необходимы для изучения прошлого и прогнозирования будущих климатических условий, а также для понимания того, как работает наш текущий климат.

Проблема моделирования океанов

Эти модели основаны на ряде уравнений, управляющих основными физическими, химическими и биологическими явлениями, формирующими мировой климат. Сложность представления этих сил связана со сложностью моделирования задействованных физических и биологических процессов и того, как они взаимодействуют друг с другом.

Что касается физической географии океанов, то уравнения достаточно хорошо известны и определены. Улучшение моделей зависит, прежде всего, от более высокого разрешения, которое на данный момент ограничено вычислительной мощностью и объемом памяти наших компьютеров.

Однако когда дело доходит до биологических факторов, возникает множество вопросов о том, как лучше закодировать и упростить процессы высочайшей сложности. Чтобы уварить это: CO₂ захват в основном регулируется фитопланктоном. Эти микроскопические водоросли живут на поверхности океана и поглощают CO.₂ посредством фотосинтеза. Когда фитопланктон умирает, часть организмов падает на дно океана, обеспечивая запас углерода на сотни, а то и тысячи лет.

Для представления фитопланктона один из самых распространенных подходов состоит в том, чтобы разделить его на «функциональные типы», то есть на отдельные группы фитопланктона, которые имеют важные общие черты, такие как размер или стратегия питания. Этот подход предполагает, что каждый тип может по-разному влиять на углеродный цикл и играть различную роль в экосистеме.

Диазотрофы — союзники климата

В частности, в настоящее время в центре внимания находится один тип, диазотрофы. Эти организмы, как следует из их названия, используют азот (N₂) молекулы для их роста (этимологически говоря, для питания, от греческого слова трофос). Преобразовывая N₂, диазотрофы обеспечивают питательные вещества, которые необходимы другому фитопланктону, и позволяют им фотосинтезировать. Таким образом, они играют фундаментальную роль в качестве естественных удобрений океана.

Недавние исследования в полевых и лабораторных условиях показали большое разнообразие диазотрофов и их адаптацию к различным условиям. Например, хотя ранее считалось, что диазотрофы обитают только в теплых чистых тропических водах, некоторые одноклеточные диазотрофы были обнаружены в арктических морях или во тьме океанских глубин.

Однако долгое время исследователи придерживались мнения, что диазотрофы мало способствуют поглощению углерода, потому что Trichodesmium — исторически наиболее изученный диазотроф — имеет тенденцию оставаться на поверхности океана и мало подвергаться нападению хищников. Но были собраны доказательства, показывающие, что другие типы диазотрофов (участвующие в симбиозе с диатомовыми водорослями) вовлечены в значительные потоки углерода вглубь).

Несмотря на свою важность, диазотрофы часто представлены в цифровых моделях очень схематично. Это результат как нашего понимания их физиологии, все еще ограниченного, так и ограничений в вычислительных мощностях: когда кто-то усложняет модели, симуляции занимают слишком много времени или требуют более мощных процессоров.

Многие международные модели, подобные тем, которые используются Межправительственной группой экспертов по изменению климата, до сих пор работают на основе предположения, что азот искусственно добавляется на поверхность океана в определенных условиях, предположительно благоприятных для диазотрофов.

Другие модели явно представляют процесс фиксации азота, но ограничиваются одним типом диазотрофа с характеристиками Trichodesmium. Однако это очень редуктивный подход, учитывая научные достижения, и он ограничивает нашу способность фиксировать глобальное распространение микроводорослей, оценивать их влияние на остальную часть экосистемы и прогнозировать последствия изменения климата как для фитопланктона, так и для секвестрации углерода. процесс.

Лучшее представление диазотрофов в цифровых моделях

Для устранения этих пробелов мы разработали в рамках проекта ПОНЯТИЕ совершенно новое представление диазотрофов, на этот раз включающее три разных типа.

Если уравнения, описывающие рост и смертность диазотрофов, одинаковы, каждый тип отличается от других особыми факторами, соответствующими тому, как каждый тип реагирует на разные температуры, количество солнечного света или доступность питательных веществ.

Это инновационное представление диазотрофов было интегрировано в цифровую модель высокого разрешения, примененную к Атлантическому океану — горячей точке диазотрофов.

Учет разнообразия диазотрофов привел к расширению фиксации азота в цифровых моделях океана и более тесному соответствию с полевыми наблюдениями. Оценки вертикальных потоков углерода также увеличились, особенно в таких регионах, как тропики Западной Атлантики, где процветают диазотрофы в симбиозе с диатомовыми водорослями.

Новая модель позволяет нам решать малоизученные вопросы, такие как конкуренция между диазотрофами, а также лучше понять роль микроводорослей в контексте меняющейся планеты. Каково их значение в качестве источника азота для других производителей в нижней части пищевой цепи? Могут ли диазотрофы помочь ограничить последствия изменения климата? Возможности для дальнейших исследований, открываемые этим более реалистичным представлением, огромны.

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.