Il fitoplancton, minuscoli organismi fotosintetici nell’oceano, svolgono un ruolo cruciale nel ciclo globale del carbonio e influenzano il clima della Terra. Un nuovo studio rivela come le variazioni nella fisiologia del fitoplancton, in particolare per quanto riguarda l’assorbimento dei nutrienti, possono avere un impatto sulla composizione chimica dell’oceano e persino dell’atmosfera. Ciò suggerisce che i cambiamenti nella fisiologia del fitoplancton marino possono influenzare il clima globale.
Il fitoplancton nell’oceano è fondamentale per il ciclo globale del carbonio poiché esegue la fotosintesi, catturando e trasportando il carbonio (C) nelle profondità dell’oceano. La crescita del fitoplancton si basa non solo sul carbonio ma anche sull’azoto (N) e sul fosforo (P), che sono cruciali per il loro funzionamento cellulare. La stechiometria del fitoplancton definisce le proporzioni relative di diversi elementi come C, N e P in questi organismi. Esistono connessioni chiave tra la stechiometria del fitoplancton e il clima attraverso le interdipendenze tra la pompa di carbonio oceanica, il ciclo dei nutrienti, le dinamiche della rete alimentare e le risposte a fattori legati al clima come l’anidride carbonica atmosferica (CO2) concentrazione e temperatura.
Negli anni ’30, l’oceanografo americano Alfred C. Redfield fece un’importante scoperta: scoprì che le concentrazioni degli elementi C, N e P nel fitoplancton marino seguono approssimativamente un rapporto fisso di circa 106:16:1 – il rapporto ora prende il suo nome, il rapporto Redfield. Sorprendentemente, la ricerca di Redfield ha anche rivelato che nei campioni di acqua di mare raccolti, la concentrazione di nitrato, una fonte primaria di nutrienti azoto, era, in media, 16 volte superiore alla concentrazione di fosfato, una fonte primaria di nutrienti fosforo. I rapporti azoto-fosforo (N:P) sia nel fitoplancton che nell’acqua di mare sono notevolmente simili, indicando una forte connessione tra i pool di nutrienti particolati (fitoplancton) e disciolti (acqua di mare).
La questione se il rapporto N:P del pool disciolto controlli il rapporto nel materiale particolato, o viceversa, ha a lungo lasciato perplessi la comunità delle scienze marine. “È una questione di uova e gallina”, afferma la dott.ssa Chia-Te Chien, ricercatrice presso l’Unità di ricerca sulla modellazione biogeochimica presso il Centro Helmholtz GEOMAR per la ricerca oceanica di Kiel, che sta studiando il ruolo della stechiometria variabile del fitoplancton nell’ambiente marino. biogeochimica. Insieme ai suoi colleghi, ha ora condotto uno studio modellistico che esamina la relazione tra i rapporti tra azoto e fosforo nella materia organica inorganica e particellare disciolta nell’acqua di mare. Lo studio, ora pubblicato sulla rivista Progressi della scienzasottolinea l’importanza dei rapporti variabili C:N:P del fitoplancton per la regolazione dei rapporti dei nutrienti oceanici disciolti su scala globale ed evidenzia i livelli di ossigeno marino come regolatore critico nel sistema Terra.
Per studiare queste relazioni, gli autori hanno utilizzato un modello computerizzato della fisiologia delle alghe accoppiato a un modello del sistema terrestre, in cui il fitoplancton ottimizza dinamicamente i propri rapporti C:N:P in risposta a condizioni ambientali variabili. Nel modello computerizzato, hanno potuto alterare le caratteristiche del fitoplancton e osservare come questo ha cambiato i rapporti di azoto e fosforo nell’acqua.
Hanno effettuato un insieme di 400 simulazioni, che differiscono per il contenuto minimo di azoto e fosforo richiesto dalle alghe per rimanere in vita. I risultati del modello rivelano intricati meccanismi di feedback che coinvolgono cambiamenti nel contenuto di azoto e fosforo del fitoplancton, livelli di ossigeno oceanico, N2 fissazione mediante fitoplancton che fissa l’azoto e denitrificazione. I risultati di questi modelli mettono in discussione il forte legame comunemente ipotizzato tra il fitoplancton e i rapporti dei nutrienti dell’acqua di mare. Piuttosto che tentare di scoprire le ragioni dietro la somiglianza nei rapporti attualmente osservati tra fitoplancton e acqua di mare, i risultati evidenziano che questi rapporti non sono intrinsecamente simili. In altre parole, la somiglianza, come viene osservata in questi giorni, è uno stato specifico, e questo stato può essere soggetto a cambiamenti, almeno su una scala temporale che non è coperta dai molti decenni di osservazioni oceaniche in situ.
Inoltre, l’analisi evidenzia l’influenza potenzialmente sostanziale delle quote di azoto e fosforo di sussistenza del fitoplancton sulla CO2 atmosferica2 livelli su scale temporali geologiche. Tradizionalmente, si riteneva che le variazioni stechiometriche del fitoplancton e all’interno dell’ecosistema marino avessero un impatto relativamente minore sulla biogeochimica marina e, di conseguenza, sulla CO2 atmosferica2 livelli. Questa visione potrebbe ora essere messa in discussione, perché questo studio sottolinea la potenziale importanza di un dettaglio fisiologico per le condizioni climatiche del nostro pianeta.
Gli autori spiegano il significato dei risultati: “I nostri risultati dimostrano che la concentrazione di CO2 atmosferica2 così come la temperatura dell’oceano e dell’aria sono notevolmente sensibili alle variazioni nella stechiometria elementare indotte dai cambiamenti nella fisiologia del fitoplancton.” Comprendere queste connessioni potrebbe aiutare gli scienziati a fare previsioni più accurate su come gli ecosistemi e il clima del nostro pianeta si evolveranno in futuro.
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