浮游植物生理学与全球气候有何关系

浮游植物是海洋中微小的光合生物，在全球碳循环中发挥着至关重要的作用，并影响地球气候。一项新的研究揭示了浮游植物生理学的变化，特别是营养吸收方面的变化，如何影响海洋甚至大气的化学成分。这表明海洋浮游植物生理学的变化可以影响全球气候。

海洋中的浮游植物是全球碳循环的核心，因为它们进行光合作用，捕获碳 (C) 并将其运输到深海。浮游植物的生长不仅依赖于碳，还依赖于对其细胞功能至关重要的氮 (N) 和磷 (P)。

浮游植物化学计量定义了这些生物体中不同元素(例如 C、N 和 P)的相对比例。通过海洋碳泵、营养循环、食物网动态以及对大气二氧化碳(CO 2 ) 浓度和温度等气候相关因素的响应之间的相互依赖性，浮游植物化学计量与气候之间存在着关键联系。

20世纪30年代，海洋学家阿尔弗雷德·雷德菲尔德(Alfred C. Redfield)有了一个重要发现：他发现海洋浮游植物中C、N、P元素的浓度大致遵循一个固定的比例，大约为106:16:1——现在的比例以他的名字命名的雷德菲尔德比率。

令人惊讶的是，雷德菲尔德的研究还发现，在他收集的海水样本中，主要氮营养源硝酸盐的浓度平均比主要磷营养源磷酸盐的浓度高16倍。浮游植物和海水中的氮磷 (N:P) 比率非常相似，表明颗粒(浮游植物)和溶解(海水)营养池之间存在密切联系。

溶解池的 N:P 比例是否控制颗粒物质的比例，或者反之亦然，这个问题长期以来一直困扰着海洋科学界。“这是一个先有鸡还是先有蛋的问题，”基尔 GEOMAR 亥姆霍兹海洋研究中心生物地球化学模拟研究小组的研究员 Chia-Te Chien 博士说，他正在研究浮游植物的可变化学计量在海洋生物地球化学。

他与同事一起进行了一项建模研究，研究海水中溶解的无机物和颗粒有机物中氮和磷的比率之间的关系。这项研究现已发表在《科学进展》杂志上，强调了浮游植物可变的 C:N:P 比例对于调节全球范围内溶解的海洋营养物比例的重要性，并强调海洋氧气水平是地球系统的关键调节剂。

为了研究这些关系，作者使用了与地球系统模型相结合的藻类生理学计算机模型，其中浮游植物根据不同的环境条件动态优化其 C:N:P 比率。在计算机模型中，他们可以改变浮游植物的特征，并观察这如何改变水中的氮磷比例。

他们进行了 400 次模拟，这些模拟的不同之处在于藻类生存所需的最低氮和磷含量。模型结果揭示了复杂的反馈机制，涉及浮游植物氮磷含量、海洋含氧量、固氮浮游植物固氮和反硝化的 变化。

这些模型结果挑战了浮游植物与海水养分比率之间普遍假设的紧​​密联系。结果并没有试图揭示目前观察到的浮游植物和海水之间的比率相似背后的原因，而是强调这些比率本质上并不相似。换句话说，目前观察到的相似性是一种特定的状态，这种状态可能会发生变化，至少在数十年的海洋实地观测未涵盖的时间尺度上是这样。

此外，分析还强调了浮游植物生存氮和磷配额对地质时间尺度上大气CO 2水平的潜在重大影响。传统上，浮游植物和海洋生态系统内的化学计量变化被认为对海洋生物地球化学以及大气中CO 2水平的影响相对较小。这种观点现在可能会受到质疑，因为这项研究指出了生理细节对地球气候条件的潜在重要性。

作者解释了这一发现的重要性，“我们的结果表明，大气中 CO 2的浓度以及海洋和气温对于浮游植物生理学变化引起的元素化学计量变化非常敏感。” 了解这些联系可以帮助科学家更准确地预测我们星球的生态系统和气候未来将如何演变。