Een nieuwe USC-studie plaatst oceaanmicroben in een nieuw licht met belangrijke implicaties voor de opwarming van de aarde.

De studie, dinsdag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , biedt een universele boekhoudmethode om te meten hoe op koolstof gebaseerde materie zich ophoopt en cycli in de oceaan. Hoewel er vaak over concurrerende theorieën wordt gediscussieerd, het nieuwe computationele raamwerk verzoent de verschillen en legt uit hoe oceanen organische koolstof in de loop van de tijd reguleren.

Verrassend genoeg, de meeste acties waarbij koolstof betrokken is, vinden niet in de lucht plaats, maar onder de grond en onder water. De planten van de aarde, oceanen en modder slaan vijf keer meer koolstof op dan de atmosfeer. Het hoopt zich op in bomen en grond, algen en sediment, micro-organismen en zeewater.

"De oceaan is een enorm koolstofreservoir met het potentieel om de opwarming van de aarde te verminderen of te versterken, " zei Naomi Levine, senior auteur van de studie en assistent-professor in de afdeling biologische wetenschappen van het USC Dornsife College of Letters, Kunsten en Wetenschappen. "Carbon cycling is van cruciaal belang voor het begrijpen van het wereldwijde klimaat, omdat het de temperatuur bepaalt, die op hun beurt klimaat- en weerpatronen bepalen. Door te voorspellen hoe koolstofcycli en -opslag werken, we kunnen beter begrijpen hoe het klimaat in de toekomst zal veranderen."

Processen die bepalen hoe organisch materiaal - rottend plantaardig en dierlijk materiaal in de omgeving, vergelijkbaar met het materiaal dat tuinders aan de bodem toevoegen - zich ophoopt, zijn van cruciaal belang voor de koolstofcyclus van de aarde. Echter, wetenschappers hebben geen goede tools om te voorspellen wanneer en hoe organische stof zich ophoopt. Dat is een probleem omdat een betere afstemming van organische koolstof computermodellen kan informeren die de opwarming van de aarde voorspellen en het openbare beleid ondersteunen.

Nieuw USC-raamwerk kan de toename van organische koolstof in de oceaan meten

In recente jaren, wetenschappers hebben drie concurrerende theorieën aangeboden om uit te leggen hoe organisch materiaal zich ophoopt, en elk heeft zijn beperkingen. Bijvoorbeeld, een idee is dat sommige organische materie intrinsiek persistent is, vergelijkbaar met een sinaasappelschil. Soms is koolstof te verdund, zodat microben het niet kunnen lokaliseren en opeten, alsof ze een enkele gele jellybean proberen te vinden in een pot vol witte. En soms, de juiste microbe is niet op het juiste moment op de juiste plaats om organisch materiaal te onderscheppen vanwege omgevingscondities.

Hoewel elke theorie enkele waarnemingen verklaart, de USC-studie laat zien hoe dit nieuwe raamwerk een veel uitgebreider beeld kan geven en de ecologische dynamiek kan verklaren die belangrijk is voor de accumulatie van organische stof in de oceaan. De oplossing heeft een breed nut.

Bijvoorbeeld, het kan helpen bij het interpreteren van gegevens van elke toestand in de oceaan. Wanneer gekoppeld aan een volledig ecosysteemmodel, het raamwerk houdt rekening met verschillende soorten microben, water temperatuur, voedingsstoffen, reproductiesnelheden, zonlicht en warmte, oceaandiepte en meer. Door zijn vermogen om wereldwijd uiteenlopende omgevingsomstandigheden weer te geven, het model kan voorspellen hoe organische koolstof zich zal ophopen in verschillende complexe scenario's - een krachtig hulpmiddel in een tijd waarin de oceanen opwarmen en de aarde snel verandert.

"Voorspellen waarom organische koolstof zich ophoopt, is een onopgeloste uitdaging geweest, " zei Emily Zakem, een studie co-auteur en postdoctoraal onderzoeker bij USC Dornsife. "We laten zien dat de accumulatie van koolstof kan worden voorspeld met behulp van dit computationele raamwerk."

Het verleden - en de toekomst - van de oceanen van de aarde beoordelen

De tool kan mogelijk ook worden gebruikt om eerdere oceaanomstandigheden te modelleren als een voorspeller van wat de aarde te wachten staat als de planeet opwarmt, grotendeels als gevolg van door de mens veroorzaakte uitstoot van broeikasgassen.

specifiek, het model is in staat om te kijken hoe mariene microben de koolstofbalans van de wereld kunnen veranderen. De tool kan laten zien hoe microben gedurende een bepaald jaar organisch materiaal in de waterkolom verwerken, evenals op millennial-tijdschalen. Met behulp van die functie, het model bevestigt - zoals eerder voorspeld - dat microben meer organisch materiaal zullen consumeren en het opnieuw zullen afgeven als koolstofdioxide naarmate de oceaan opwarmt, wat uiteindelijk de atmosferische koolstofconcentraties zal verhogen en de opwarming zal doen toenemen. Bovendien, de studie zegt dat dit fenomeen snel kan optreden, op een niet-lineaire manier, zodra een drempel is bereikt - een mogelijke verklaring voor enkele van de extreme klimaatuitbarstingen die zich in het verre verleden van de aarde hebben voorgedaan.

"Dit suggereert dat veranderingen in het klimaat, zoals opwarming, kan leiden tot grote veranderingen in de opslag van organische koolstof en dat we nu hypothesen kunnen genereren over wanneer dit zou kunnen gebeuren, ' zei Levine.

Eindelijk, de onderzoekspaper zegt dat de nieuwe tool kan modelleren hoe koolstof door bodem en sediment in de terrestrische omgeving beweegt, te, hoewel die toepassingen geen deel uitmaakten van het onderzoek.