自 1934 年以来，Redfield 比率——浮游植物中碳与氮与磷 (C:N:P) 的重复比率为 106:16:1，以及这些元素在地球各地循环的途径——一直是一个海洋学的基石。虽然 C:N:P 比率存在差异，并且已经在海洋生物群落中观察到，但迄今为止还没有一种既定的方法来量化或预测这种变化。然而，罗德岛大学教授的一项新研究可能有助于填补科学家研究和试图理解这些差异的空白。
这项研究发表在《自然地球科学》杂志上，由 URI 海洋学研究生院海洋学助理教授 Keisuke Inomura 与来自华盛顿大学、麻省理工学院和普林斯顿大学的团队共同撰写，也可能对气候研究产生有意义的影响.
浮游植物对全世界的水生生态系统至关重要，为几乎所有海洋生物提供食物;它们还进行光合作用——吸收阳光、水和二氧化碳并释放氧气和碳。除了在我们的大气中产生一半的氧气外，浮游植物还影响深海中的碳输出和储存，这反过来又会影响大气中二氧化碳的成分。碳输出在很大程度上受 C:N:P 比率的影响，因为该比率表示相对于可用养分(即氮和磷)产生的碳量。
在检查 C:N:P 比率时，研究表明，虽然 C:N 保持相对稳定，但 N:P 或 C:P 的比率可能会因纬度而显着变化——亚热带的比率较高，高纬度地区的比率较低例如北冰洋或南大洋。不知道的是为什么。为了回答这个问题，该团队将浮游植物的大分子模型纳入全球大气环流和生物地球化学模型——本质上是将浮游植物内的分子组成引入计算模型中，该模型还考虑了海洋环流和营养循环。
“我们分析了小型和大型浮游植物的现有数据，研究了它们的构成——蛋白质、碳水化合物、脂质、DNA、RNA 等——以及这些大分子彼此之间的关系，它们如何吸收光和营养并将其用于复制或成长，”Inomura 说。参与反应或形成化合物的物质数量之间的关系称为化学计量。“通过在新模型中解决浮游植物中每种存在的数量，并将其纳入海洋框架——我们能够预测或模拟和分析 C:N:P 的比例在整个海洋中将如何变化以及原因。”
研究结果表明，虽然主要由所有浮游植物的共同生理调节策略驱动的 C:N 比率的变化相对较小，但 N:P 的较大变化主要受存在的浮游生物的影响——无论大小。
新模型增加了前所未有的详细程度，这些细节以前在浮游植物的大分子分配以及它如何根据经验数据适应不断变化的环境条件方面是不可用的。该模型可用于预测和解释海洋浮游植物中大分子的分布，为预测生物和生态对气候变化的反应提供框架。
“回答一个重大的研究问题在学术上总是很有趣，”Inomura 说。“而且，当然，当模型基于经验数据时，它们会变得更有趣、更有用。但是我们通过在模型中包含这一级别的细节所做的是通过提供真实的——基于生命的海洋各处元素比例预测——包括研究人员无法到达的地方。”
Inomura 认为这项工作可能会导致下一代气候模型。在大分子模型中发现的更多详细信息有助于预测海洋C:N:P 比率的未来变化，以及这些变化对大气中二氧化碳成分和温度的影响。
“关于气候变化，我们还有很多不了解的地方。当前气候模型中的生物学方面是提供不确定性的一个领域，”Inomura 说。“我们希望这个模型将有助于更好地确定那部分。”
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