Oceanografer forudser en stigning i fytoplankton inden 2100

En neural netværksdrevet jordsystemmodel har ført til University of California, Irvine oceanografer til en overraskende konklusion:Planteplanktonpopulationer vil vokse i vande på lav breddegrad i slutningen af ​​det 21. århundrede.

Det uventede simuleringsresultat er i modstrid med mange i miljøvidenskabernes mangeårige tro på, at fremtidige globale klimaændringer vil gøre tropiske oceaner ugæstfrie for fytoplankton, som er bunden af ​​det akvatiske fødenet. UCI-forskerne giver beviserne for deres resultater i et papir offentliggjort i dag i Natur Geovidenskab .

Senior forfatter Adam Martiny, UCI professor i oceanografi, forklaret, at den fremherskende tankegang om fytoplanktonbiomasse er baseret på et stadig mere lagdelt hav. Varmende have hæmmer blandingen mellem det tungere kolde lag i det dybe og lettere varme vand tættere på overfladen. Med mindre cirkulation mellem niveauerne, færre næringsstoffer når de højere lag, hvor de kan tilgås af sulten plankton.

"Alle klimamodeller har denne mekanisme indbygget i dem, og det har ført til disse veletablerede forudsigelser, at fytoplanktonproduktivitet, biomasse og eksport til det dybe hav vil alt sammen falde med klimaændringer, " sagde han. "Jordsystemmodeller er i vid udstrækning baseret på laboratorieundersøgelser af fytoplankton, men selvfølgelig er laboratorieundersøgelser af plankton ikke det rigtige hav."

Ifølge Martiny, videnskabsmænd tegner traditionelt plankton ved at måle mængden af ​​klorofyl i vandet. Der er betydeligt mindre af de grønne ting i områder med lav breddegrad, der er meget varme sammenlignet med køligere områder længere væk fra ækvator.

"Problemet er, at klorofyl ikke er alt, hvad der er i en celle, og faktisk på lave breddegrader, mange plankton er kendetegnet ved at have en meget lille mængde af det; der er så meget sollys, Plankton behøver kun nogle få klorofylmolekyler for at få nok energi til at vokse, " bemærkede han. "I virkeligheden, vi har indtil videre haft meget få data til faktisk at påvise, om der er mere eller mindre biomasse i regioner, der gennemgår stratificering. Som resultat, det empiriske grundlag for mindre biomasse i varmere områder er ikke så stærkt."

Disse tvivl fik Martiny og hans UCI-kolleger til at gennemføre deres egen planteplanktontælling. Analyse af prøver fra mere end 10, 000 steder rundt om i verden, holdet skabte en global syntese af de vigtigste fytoplanktongrupper, der vokser i varme områder.

Langt de fleste af disse arter er meget små celler kendt som picophytoplankton. Ti gange mindre i diameter end de planktonstammer, man ville finde ud for Californiens kyst - og 1, 000 gange mindre voluminøst - picophytoplankton er ikke desto mindre stort i antal, udgør 80 til 90 procent af planktonbiomassen i de fleste varme områder.

Gruppen byggede globale kort og sammenlignede mængden af ​​biomasse langs temperaturgradienten, en nøgleparameter, ifølge Martiny. Udførelse af en maskinlæringsanalyse for at bestemme forskellen nu i forhold til år 2100, de fandt en stor overraskelse:"I mange regioner ville der være en stigning på 10 til 20 procent af planktonbiomassen, snarere end et fald, " sagde Martiny.

"Maskinlæring er ikke forudindtaget af det menneskelige sind, " sagde han. "Vi giver bare modellen tonsvis af data, men de kan hjælpe os med at udfordre eksisterende paradigmer."

En af teorierne, holdet udforskede for at forklare væksten, med hjælp fra medforfatter Francois Primeau, UCI professor i jordsystemvidenskab, havde at gøre med, hvad der sker med planteplankton i slutningen af ​​deres livscyklus.

"Når plankton dør - især disse små arter - sidder de lidt længere, og måske ved høje temperaturer kan andet plankton lettere nedbryde dem og genbruge næringsstofferne tilbage for at bygge ny biomasse, " sagde Martiny.

Sådanne økosystemtræk tages ikke let i betragtning af traditionelle, mekanistiske jordsystemmodeller, ifølge Martiny, men de var en del af det geografisk forskelligartede datasæt, som teamet brugte til at træne sin kvantitative nichemodel afledt af neurale netværk.

Martiny sagde, at denne undersøgelse som en opfølgning på forskning offentliggjort sidste sommer er yderligere bevis på phytoplanktons mangfoldighed og modstandsdygtighed.

"Vi kunne åbenbart lade klimaforandringerne komme ud af hånden og gå ind i et fuldstændig ukendt territorium, og så er alle væddemål slået fra, sagde han. Men i det mindste for et stykke tid, Jeg tror, ​​at tilpasningsevnerne i disse forskellige planktonsamfund vil hjælpe dem med at opretholde høj biomasse på trods af disse miljømæssige ændringer."

Sammen med Martiny og Primeau var forfatterkollegerne Pedro Flombaum, tidligere UCI postdoc-forsker og senere gæsteforsker i jordsystemvidenskab (i øjeblikket professor ved universitetet i Buenos Aires, Argentina), og Weilei Wang, UCI postdoc-stipendiat i jordsystemvidenskab. Undersøgelsen modtog støtte fra National Science Foundations Ten Big Ideas-program og US Department of Energy Office of Biological and Environmental Research.