Ekspedition undersøger oceaner mindste organismer for klimasvar

Satellitbilleder af fytoplanktonblomstrer på havets overflade blænder ofte med deres forskellige farver, nuancer og former. Men fytoplankton er mere end blot naturens akvareller:De spiller en nøglerolle i jordens klima ved at fjerne varmefangende kuldioxid fra atmosfæren gennem fotosyntese.

Alligevel har en detaljeret redegørelse for, hvad der bliver af det kulstof - hvor meget af det går hvor inde på jorden og hvor længe - ramt forskere i årtier. Så mens NASAs jordobserverende satellitter kan registrere spredning og placering af disse organismer, de præcise konsekvenser af deres livs- og dødscyklusser på klimaet er stadig ukendte.

For at besvare disse spørgsmål, i denne uge sejler et stort tværfagligt team af forskere 200 miles vest fra Seattle ind i det nordøstlige Stillehav med avanceret undervandsrobotik og andre instrumenter på en måneds lang kampagne for at undersøge hemmelige liv for disse plantelignende organismer og dyrene, der spiser dem.

NASA og National Science Foundation finansierer den oceanografiske kampagne Export Processes in the Ocean fra Remote Sensing (EXPORTS). Med mere end 100 forskere og besætning fra næsten 30 forskningsinstitutioner, EXPORTS er den første koordinerede tværfaglige videnskabskampagne af sin art, der studerer veje, skæbner og kulstofkredsløbspåvirkninger af mikroskopisk og andet plankton ved hjælp af to forskningsfartøjer, en række undervandsrobotplatforme og satellitbilleder. Teamet vil arbejde fra forskningsfartøjer (R/V) Roger Revelle og Sally Ride, drives af Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego.

"Den fortsatte udforskning af havet, dets økosystemer og deres kontrol over kulstofkredsløbet, som observeret med avancerede teknologier af EXPORTS, vil give hidtil usete udsigter over Jordens usete verden, "sagde Paula Bontempi, EXPORTS programforsker ved NASAs hovedkvarter, Washington. "De videnskabelige spørgsmål, som holdet tager fat på, skubber virkelig grænsen for, hvad NASA kan gøre inden for både fjern- og in situ optisk havforskning. NASAs mål er at forbinde de biologiske og biogeokemiske havprocesser med information fra planlagte havobservationssatellitmissioner, dermed ekstrapolerer resultaterne fra denne mission til globale skalaer. "

Den udfordring, som EKSPORTER adresserer, kræver et ekstremt tværfagligt team af eksperter. "Jeg er i ærefrygt for, at vi har kunnet samle et team af sande ledere inden for deres individuelle felter med det ene mål at forstå samspillet mellem livet i havet og havets kulstofcyklus, " sagde David Siegel, professor i havvidenskab ved University of California, Santa Barbara, og EKSPORT videnskabsleder. "Teamet har en hidtil uset mangfoldighed af ekspertise, herunder fysikere, økologer, geokemister, numeriske modellerere, og genomik, robotteknologi og fjernmåling forskere. "

Ordet "planteplankton" kommer fra græsk for "plantedrifter"; fytoplankton udnytter solens energi til at omdanne opløst uorganisk kulstof i havet til organisk kulstof – hvilket skaber kulhydrater og cellulært materiale til næring og reproduktion – og deres bevægelse er i høj grad dikteret af havets fysik, inklusive strømme. Disse organismer er mikroskopiske, for det meste encellet, og formere sig eksponentielt, fordobler deres antal i gennemsnit hver dag.

Deres overflod og høje produktivitet gør fytoplankton til en ideel fødekilde for små dyr kaldet zooplankton, hvilket betyder "animal drifters" på græsk. "Hvis du har en million planteplankton og zooplankton spiser 500, 000 af dem, fytoplankton kan hurtigt hoppe tilbage til en million inden for en dag, "sagde Tatiana Rynearson, en oceanograf fra Graduate School of Oceanography ved University of Rhode Island og et medlem af EKSPORT-teamet. "Planteplankton giver energi til hele økosystemet, fordi de er i stand til hurtigt at genopbygge deres populationer."

Ligesom planteplankton, zooplankton er forskelligartet i arter. Nogle er encellede og mikroskopiske (mikrozooplankton), mens andre, såsom den rejelignende krill og vandmænd, er tydeligt synlige for det blotte øje. Forskellige arter lever tæt på havets overflade hele deres liv, mens andre tilbringer deres dage i tusmørkezonen fra 200 meter til 1000 meter (650 fod til 3300 fod) nedenfor, hvor der er lidt eller intet sollys. Men om natten nogle zooplanktonarter, såsom copepoder, som er små krebsdyr, foretage en massemigration til overfladen - den største sådan rejse af antallet af organismer på Jorden - for at fodre med planteplankton og mikrozooplankton, og derefter trække sig tilbage til dybet ved solopgang.

Længere oppe i fødekæden, en række større dyr, såsom fisk – inklusive havets kæmpe, hvalhajen - og baleenhvaler som blåhvalen - det største dyr på jorden - lever af zooplankton, indarbejde det organiske kulstof i deres kroppe.

Meget af det organiske kulstof, der forbruges af fytoplankton, zooplankton og større marine rovdyr vender tilbage til atmosfæren på korte tidsskalaer. Dette sker, når de nedbrydes og gennem vejrtrækning langs denne fødekæde, fra de større dyr og zooplankton til de bakterier, der lever af disse dyrs afføring og nedbrydende kroppe. Men noget af det organiske stof fra afføring og nedbrudte kroppe synker ned i tusmørkezonen og sekvestreres på længere tidsskalaer.

"Det er en lille brøkdel, en brøkdel af en procent af biomasse, der gør det dybere nede i havet, hvor vandet holder sig væk fra atmosfæren i lang tid, fra årtier til tusinder af år, "sagde Heidi Sosik, en seniorforsker ved Woods Hole Oceanographic Institution og medlem af EXPORTS -teamet. "Vi har ret god information, der fortæller os, at disse processer sker, men vi har meget mindre information til at hjælpe os med kvantitativt at vurdere deres indflydelse på ting som kulstofcykling og, ultimativt, Jordens klima. "

Et mål med kampagnen er at forbedre forståelsen af ​​plankton gennem genetik. Rynearson og andre vil være involveret i at identificere forskellige fytoplankton- og zooplanktonarter ud fra deres DNA og bestemme, hvilke arter der er på overfladen, der synker, og som lever i det dybe hav. At studere deres genetiske sammensætning vil give indsigt i deres stofskifte, som vil blive analyseret sammen med in situ målinger af fotosyntese og respiration.

"I bund og grund, vi forsøger at skelne, hvem der er der, og hvad de laver, og hvor meget kulstof, der cykler gennem disse forskellige arter, "Sagde Rynearson. De genetiske data vil blive knyttet til optiske målinger, udført som en del af in situ -arbejdet, at hjælpe med at bygge optiske proxyer af kritiske havøkosystemer og biogeokemiske egenskaber. Når disse optiske havproxyer er oprettet, forskere vil yderligere definere og forfine tilgange til ekstern måling af havøkosystemvariabler, i sidste ende at forbinde kulstofeksportprocesser med satellitmålinger.

Deborah Steinberg, professor i havvidenskab ved Virginia Institute of Marine Science, er co-chief scientist på R/V Revelle og studerer zooplanktonpopulationer. Ved hjælp af et fintmasket, elektronisk styret planktonnet, Steinberg og hendes team vil prøve vand på forskellige dybder, fra overfladen til 1, 000 meter (3, 200 fod). De vil tælle overflod af forskellige zooplanktonpopulationer på de forskellige dybder og bringe prøver tilbage på skibet for at observere, hvor meget afføring de producerer. Prober på skibet vil også måle, hvor meget ilt de bruger. "Det vil give os en god idé om deres stofskifte og hvor meget hver art genbruger eller eksporterer det organiske stof, de spiser, " hun sagde.

I mellemtiden, Sosik og hendes team vil være blandt EXPORTS -teammedlemmerne, der ser på virkningen af ​​planteplanktonarter på de optiske egenskaber af havets overflade - hvordan de absorberer og spreder sollys - hvilket er grundlæggende for at skelne de signaler, satellitter henter fra rummet. "Kombineret med data fra EXPORTS og andre in situ -søbaserede kampagner, der indgår i modeller, " hun sagde, "satellitdata vil hjælpe os med at lave mere sofistikerede og raffinerede konklusioner om, hvad der kan ske dybere nede i havet, og hvad indvirkningen på kulstofkredsløbet kan være."