Een neuraal netwerkgestuurd aardsysteemmodel heeft geleid tot de Universiteit van Californië, Oceanografen van Irvine komen tot een verrassende conclusie:fytoplanktonpopulaties zullen tegen het einde van de 21e eeuw groeien in wateren op lage breedtegraden.

Het onverwachte resultaat van de simulatie druist in tegen het al lang bestaande geloof van velen in de milieuwetenschappelijke gemeenschap dat toekomstige wereldwijde klimaatverandering tropische oceanen onherbergzaam zal maken voor fytoplankton, die de basis vormen van het aquatische voedselweb. De UCI-onderzoekers leveren het bewijs voor hun bevindingen in een paper dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen .

Senior auteur Adam Martiny, UCI-hoogleraar oceanografie, legde uit dat het heersende denken over biomassa van fytoplankton gebaseerd is op een steeds meer gelaagde oceaan. Opwarmende zeeën belemmeren de vermenging tussen de zwaardere koude laag in het diepe en lichtere warme water dichter bij het oppervlak. Met minder circulatie tussen de niveaus, minder voedingsstoffen bereiken de hogere lagen waar ze kunnen worden bereikt door hongerig plankton.

"Alle klimaatmodellen hebben dit mechanisme ingebouwd, en het heeft geleid tot deze gevestigde voorspellingen dat de productiviteit van fytoplankton, biomassa en export naar de diepe oceaan zullen allemaal afnemen door klimaatverandering, " zei hij. "Modellen van het aardsysteem zijn grotendeels gebaseerd op laboratoriumstudies van fytoplankton, maar natuurlijk zijn laboratoriumstudies van plankton niet de echte oceaan."

Volgens Martinus, wetenschappers verklaren traditioneel plankton door de hoeveelheid chlorofyl in het water te meten. Er is aanzienlijk minder groen in gebieden op lage breedtegraden die erg heet zijn in vergelijking met koelere gebieden verder van de evenaar.

"Het probleem is dat chlorofyl niet alles is wat in een cel zit, en eigenlijk op lage breedtegraden, veel plankton wordt gekenmerkt door een zeer kleine hoeveelheid; er is zoveel zonlicht, plankton heeft maar een paar chlorofylmoleculen nodig om genoeg energie te krijgen om te groeien, " merkte hij op. "In werkelijkheid, we hebben tot nu toe heel weinig gegevens gehad om daadwerkelijk aan te tonen of er meer of minder biomassa is in regio's die stratificatie ondergaan. Als resultaat, de empirische basis voor minder biomassa in warmere streken is niet zo sterk."

Deze twijfels brachten Martiny en zijn UCI-collega's ertoe hun eigen fytoplankton-telling uit te voeren. Analyseren van monsters van meer dan 10, 000 locaties over de hele wereld, het team creëerde een wereldwijde synthese van de belangrijkste fytoplanktongroepen die in warme streken groeien.

De overgrote meerderheid van deze soorten zijn zeer kleine cellen die bekend staan ​​​​als picophytoplankton. Tien keer kleiner in diameter dan de planktonstammen die je voor de kust van Californië zou vinden - en 1, 000 keer minder volumineus - picophytoplankton is niettemin groot in aantal, 80 tot 90 procent van de planktonbiomassa in de meeste warme streken.

De groep maakte wereldkaarten en vergeleek de hoeveelheid biomassa langs de temperatuurgradiënt, een belangrijke parameter, volgens Martinus. Een machine learning-analyse uitvoeren om het verschil nu versus het jaar 2100 te bepalen, vonden ze een grote verrassing:"In veel regio's zou er een toename zijn van 10 tot 20 procent van de planktonbiomassa, in plaats van een daling, ' zei Martine.

"Machine learning is niet bevooroordeeld door de menselijke geest, " zei hij. "We geven het model tonnen en tonnen gegevens, maar ze kunnen ons helpen bestaande paradigma's uit te dagen."

Een van de theorieën die het team onderzocht om de groei te verklaren, met hulp van co-auteur Francois Primeau, UCI-hoogleraar Aardsysteemwetenschap, te maken hadden met wat er gebeurt met fytoplankton aan het einde van hun levenscyclus.

"Als plankton sterft - vooral deze kleine soorten - blijven ze nog een tijdje zitten, en misschien kan ander plankton ze bij hoge temperatuur gemakkelijker afbreken en de voedingsstoffen recyclen om nieuwe biomassa op te bouwen, ' zei Martine.

Met dergelijke ecosysteemkenmerken wordt niet gemakkelijk rekening gehouden door traditionele, mechanische modellen van het aardsysteem, volgens Martinus, maar ze maakten deel uit van de geografisch diverse dataset die het team gebruikte om zijn van het neurale netwerk afgeleide kwantitatieve nichemodel te trainen.

Martiny zei dat deze studie, als vervolg op onderzoek dat afgelopen zomer is gepubliceerd, verder bewijs is van de diversiteit en veerkracht van fytoplankton.

"Het is duidelijk dat we de klimaatverandering uit de hand kunnen laten lopen en volledig onbekend terrein kunnen betreden. en dan zijn alle weddenschappen af, "zei hij. "Maar in ieder geval voor een tijdje, Ik denk dat het aanpassingsvermogen in deze diverse planktongemeenschappen hen zal helpen om ondanks deze veranderingen in het milieu een hoge biomassa te behouden."

Naast Martiny en Primeau waren collega-auteurs Pedro Flombaum, voormalig UCI-postdoctoraal onderzoeker en later gastonderzoeker in aardsysteemwetenschap (momenteel hoogleraar aan de Universiteit van Buenos Aires, Argentinië), en Weilei Wang, UCI postdoctoraal wetenschapper in aardsysteemwetenschap. De studie kreeg steun van het Ten Big Ideas-programma van de National Science Foundation en het Amerikaanse Department of Energy Office of Biological and Environmental Research.