Hvordan fytoplankton overlever i havgyres med lav næringsstofforsyning

Subtropiske gyres er enorme, vedvarende strømme, der spænder over tusindvis af kilometer over Stillehavet og Atlanterhavet, hvor meget lidt vokser.

Med mangel på næringsstoffer, planteplankton, de mikroskopiske planter, der danner grundlaget for den marine fødekæde, kæmper for at trives.

Imidlertid, noget fytoplankton lever i det fjendtlige miljø af disse gyres, og præcis hvordan de får deres næringsstoffer har længe været et mysterium.

Nu forskning af Edward Doddridge, en postdoc i Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber ved MIT, har fundet ud af, at fytoplanktonvækst i subtropiske gyres påvirkes af et lag vand et godt stykke under havoverfladen, som gør det muligt at genbruge næringsstoffer tilbage til overfladen.

Arbejder med David Marshall på Oxford University, Doddridge har udviklet en model til at undersøge mekanismen bag planteplanktonvækst i gyrene, som fremgår af Journal of Geophysical Research:Oceans .

Ifølge lærebøgerne, vinde skubber overfladevand ind i midten af ​​gyres og derefter nedad, tager næringsstoffer væk fra den solbeskinnede zone og forhindrer derfor planteplankton i at trives.

Men tidligere forskning af Doddridge har antydet, at denne opfattelse er for forsimplet, og at bevægelsen af ​​hvirvler - havækvivalenten til vejrsystemer - i gyrene virker mod denne bevægelse, forhindrer vandet i at blive skubbet langt nedad.

For at undersøge dette nærmere, forskerne udviklede en simpel computermodel, hvor de deler havet i to lag:det solbeskinnede lag og et lag af homogent vand under det, kaldet mode vand. Under dette lag af modevand er afgrunden, som ikke var med i modellen.

Inden for modellen, forskerne inkluderede både den vindledede proces med vandkonvergens fra siderne af gyret og derefter nedad, og den måde, hvirvelstrømme skulle agere imod denne bevægelse.

Da de kørte modellen, dens resultater afspejlede stort set observationer af selve gyrene, med højere næringsstofkoncentration og fytoplanktonproduktivitet ved kanterne af gyres, og lavere produktivitet i centrum.

De begyndte derefter at variere modellens forskellige parametre, at undersøge, hvilken effekt dette ville have på næringsstofniveauer og planteplanktonproduktivitet.

De varierede først en mekanisme foreslået tidligere af forskere og kendt som eddy pumping, hvor den hvirvlende bevægelse af cirkulære strømme trækker koldere, næringsrigt vand op nedefra.

"Vi ændrede, hvor meget væske denne mekanisme kunne skifte mellem det solbeskinnede lag og det homogene lag nedenfor, og vi fandt ud af, at da vi øgede hvirvelpumpen, koncentrationen af ​​næringsstoffer steg, som foreslået af tidligere forskning, " siger Doddridge.

Imidlertid, virkningen af ​​denne hvirvelpumpning begyndte at plateau på højere niveauer. Jo mere forskerne øgede hvirvelpumpemekanismen, jo mindre blev stigningen i næringsstofkoncentrationen.

De varierede derefter processen med horisontal vandkonvergens og nedadgående pumpning i gyrene, kendt som resterende Ekman-transport. De fandt ud af, at denne proces havde en betydelig indvirkning på næringsstofkoncentrationen.

Endelig, forskerne varierede tykkelsen af ​​laget af homogent vand under det solbeskinnede lag, som de også fandt at have en betydelig indflydelse på næringsstofkoncentrationen.

Tidligere forskning har antydet, at når dette lag af modevand bliver tykkere, det blokerer for, at næringsstoffer kommer op nedefra, hvilket resulterer i lavere produktivitetsniveauer i den solbeskinnede zone. Imidlertid, resultaterne af modellen tyder på, at det modsatte er tilfældet, med et tykkere lag, der fører til større næringsstofkoncentration. Dette var især tilfældet, når niveauet af Ekman-transport var lavt, siger Doddridge.

"Når planteplankton og andre ting, der lever i det solbeskinnede lag dør, eller blive spist og udskilt, de begynder at falde ned gennem havet, og deres næringsstoffer absorberes tilbage i vandet, " siger Doddridge.

"Så jo tykkere det homogene lag er, jo længere tid det tager disse partikler at falde igennem det, og jo flere af deres næringsstoffer absorberes i væsken, skal genbruges som mad."

Mens næringsstofferne forbliver i det homogene lag, det tager ikke meget energi for dem at blive blandet tilbage til overfladen, siger Doddridge. Men hvis de hurtigt falder ned i afgrunden - fordi det homogene lag er tyndt, for eksempel - næringsstofferne er i det væsentlige afskåret fra overfladevandet ovenover, han siger.

Da forskerne testede resultaterne af modellen ved hjælp af data fra satellitter, autonome robotter, og skibe, de fandt ud af, at det understøttede deres resultater, tyder på, at tykkere vand faktisk forbedrer fytoplanktonvæksten i subtropiske gyres.

I fremtiden, Doddridge vil gerne udføre yderligere eksperimenter med mere komplekse modeller, at få yderligere indsigt i den måde, hvorpå næringsstoffer tilføres og genanvendes inden for subtropiske gyres.

Det næringsfattige øvre havvand i det subtropiske gyre spiller globalt vigtige roller i havets kulstofoptagelse, med biologiske processer, der medierer en stor del af denne kulstofoptagelse, men de processer, der leverer næringsstoffer, der er nødvendige for at understøtte biologisk nettoproduktion i disse økosystemer, er stadig uklare, ifølge Matthew Church ved University of Montana, som ikke var involveret i undersøgelsen.

"Avisen fremhæver den centrale rolle af fysiske processer (specielt hvirvler) i reguleringen af ​​både opadgående forsyning af næringsstoffer, og den nedadgående strøm af synkende organisk stof, " siger kirken. "Forfatterne konkluderer, at dette sidste udtryk, specifikt den dybde, over hvilken organiske partikler remineraliseres, sætter begrænsninger for produktiviteten af ​​de overliggende farvande. Denne modelafledte konklusion præsenterer en felttestbar hypotese."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.