Неожиданный результат моделирования противоречит давней вере многих ученых-экологов в то, что в будущем глобальное изменение климата сделает тропические океаны негостеприимными для фитопланктона, который является основой водной пищевой сети. Исследователи UCI предоставляют доказательства своих выводов в статье, опубликованной 27 января 2020 года в Nature Geoscience.
Старший автор статьи Адам Мартини, профессор Калифорнийского университета в океанографии, объяснил, что преобладающее представление о биомассе фитопланктона основано на все более расслоенном океане. Потепление морей препятствует смешиванию более тяжелого холодного слоя в глубокой и более легкой теплой воде ближе к поверхности. При меньшей циркуляции между уровнями, меньшее количество питательных веществ достигает более высоких слоев, где они могут быть доступны для голодного планктона.
“Все климатические модели имеют этот механизм, встроенный в них, и это привело к таким устоявшимся прогнозам, что продуктивность фитопланктона, биомасса и экспорт в глубокий океан будут снижаться с изменением климата. Модели земной системы в значительной степени основаны на лабораторных исследованиях фитопланктона, но, конечно же, лабораторные исследования планктона не являются реальным океаном”, — сказал он.
По словам Мартини, ученые традиционно учитывают планктон, измеряя количество хлорофилла в воде. В низкоширотных регионах, где очень жарко, по сравнению с более холодными регионами, расположенными дальше от экватора, количество зеленого вещества значительно меньше.
«Проблема заключается в том, что хлорофилл — это не все, что находится в клетке, и на самом деле в низких широтах многие планктоны характеризуются очень малым его количеством; там так много солнечного света, планктону нужно только несколько молекул хлорофилла, чтобы получить достаточно энергии для роста. На самом деле, у нас пока было очень мало данных, чтобы действительно продемонстрировать, существует ли более или менее биомасса в регионах, подвергающихся стратификации. В результате эмпирическая основа для уменьшения биомассы в более теплых регионах не столь сильна”, — отметил он.
Эти сомнения побудили Мартини и его коллег из UCI провести собственную перепись фитопланктона. Анализируя образцы из более чем 10 000 мест по всему миру, команда создала глобальный синтез ключевых групп фитопланктона, которые растут в теплых регионах.
Подавляющее большинство этих видов представляют собой очень крошечные клетки, известные как пикофитопланктон.
Группа построила глобальные карты и сравнила количество биомассы по градиенту температуры, ключевому параметру. Проведя анализ машинного обучения, чтобы определить разницу сейчас по сравнению с 2100 годом, они обнаружили большой сюрприз: во многих регионах произойдет увеличение биомассы планктона на 10-20 процентов, а не снижение.
«Машинное обучение не предвзято человеческим умом. Мы просто даем модели тонны и тонны данных, но они могут помочь нам бросить вызов существующим парадигмам», — сказал он.
Одна из теорий, которую команда исследовала, чтобы объяснить рост, с помощью соавтора Франсуа Примо, профессора UCI по науке о системах Земли, имела отношение к тому, что происходит с фитопланктоном в конце их жизненного цикла.
Согласно Мартини, такие экосистемные особенности нелегко учитывать в традиционных, механистических моделях земных систем, но они были частью географически разнообразного набора данных, который команда использовала для обучения своей нейросетевой количественной модели ниши.
Мартини сказал, что это исследование в качестве последующего исследования, опубликованного прошлым летом, является еще одним доказательством разнообразия и устойчивости фитопланктона.
«Мы могли бы, очевидно, позволить изменению климата выйти из-под контроля и пойти на совершенно неизведанную территорию, а затем все ставки будут сняты. Но, по крайней мере, на некоторое время, я думаю, что адаптационные возможности в этих разнообразных планктонных сообществах помогут им поддерживать высокую биомассу, несмотря на большие экологические изменения”, — поясняют исследователи.
