Kiselalger är en mycket vanlig grupp av alger som inte bara finns i sötvattenströmmar, floder och sjöar, men också i marina vatten. Dessa encelliga organismer är särskilt utbredda i vattnen i södra oceanen runt Antarktis. Med tanke på tillräcklig tillgång på näringsämnen och ljus, kiselalger kan föröka sig med sådan explosiv kraft att de skapar en algblomning.

Under deras snabba tillväxtcykel, kiselalger absorberar stora mängder spårämnen och näringsämnen från ytvattenskiktet, särskilt kisel för att bilda sina skal, och zink, som spelar en viktig fysiologisk roll i deras utveckling. Den kraftiga utarmningen av näringsämnen som orsakas av algblomningen är mest framträdande i det översta vattenskiktet och påverkar kemin i många av världens stora hav - ett fenomen som beskrivs av ett team av forskare som leds av Derek Vance, Professor i geokemi och petrologi vid ETH Zürich, i en artikel som nyligen publicerats i den akademiska tidskriften Naturgeovetenskap .

Diatomer förbrukar näringsämnen

Forskare kan övervaka massreproduktionen av dessa organismer genom att undersöka djupprofilerna av zink och kiselkoncentration i olika havs havsvatten:profilerna är identiska för båda elementen, med en betydande utarmning i vattenspelarens översta kilometer. Slutsatsen av studien är att detta orsakas av den biologiska aktiviteten hos kiselalgerna i ytskiktet runt Antarktis, följt av transport av de resulterande näringsmässigt utarmade vattenmassorna till andra delar av havet i strömmar.

Utarmad av näringsämnen, det översta lagret av vattnet rinner i riktning mot ekvatorn. När den når en breddgrad på runt 45-50 grader, det sjunker under ett varmare ytskikt. Detta mellersta vattenskikt sträcker sig väl in i de norra oceanerna och blandas inte helt med andra lager, och förblir därför hungrig av näringsämnen.

Inte allt ytvatten runt Antarktis rinner mot ekvatorn. Mycket nära den antarktiska kontinenten i sig blir ytvattnet mycket salt och tätt på grund av bildandet av havsis. Detta täta vatten sjunker in i avgrunden. Algerna som blommar på ytan slutar ofta med en typ av massdöd när alla näringsämnen har tagits ut. De sjunker sedan ner i detta djupa hav. När de sjunker "packas" också några kiselalger i partiklar som utsöndras av små havsdjur och, i havets djup, cellerna sönderdelas och släpper ut zink och kisel tillbaka i havsvattnet. Djupa havsströmmar som färdas norrut transporterar spårelementen 5000 meter under ytan. Detta gör att zink och kisel kan fyllas på.

Bottenvattnet rinner i en bred slinga i riktning mot ekvatorn och tillbaka mot Antarktis, där den vertikala uppvärmningen transporterar de berikade näringsämnena till det lätt översvämmade vattenytan, så att kiselalgerna kan börja en ny reproduktiv cykel.

Motsättningen förklaras

Tanken att koppla kiselalgernas livscykel till de dominerande strömmarna i södra oceanen gör det också möjligt för forskarna under ledning av professor Vance att lösa paradoxen att djupprofilerna för kisel och zink är liknande, även om de två ämnena krävs för olika delar av cellerna.

Zink behövs för enzymer i den organiska delen av cellerna, medan kisel används för att bilda det oorganiska skalet. Den organiska delen av kiselalgerna förväntas brytas ned nära vattenytan, och det oorganiska skalet i de nedre vattenlagren. Detta borde teoretiskt ge olika djupprofiler - men ett sådant fenomen observeras inte. Forskare tror att detta beror på att sönderdelningen av de döda cellerna inte sker i ytvattnet, men bara när dessa celler sjunkit till ett medeldjup. På denna nivå, både de organiska och oorganiska komponenterna sönderdelas och de två spårämnena frigörs i samma vattenmassa.

Exakt varför kiselalger tar upp relativt stora mängder zink, även om de behöver väldigt lite, är ännu inte klart, enligt ETH -professorn. En möjlig förklaring är att organismerna har transportproteiner som förmedlar det väsentliga näringsjärnet till cellen. Havsvatten innehåller mycket lite järn, dock. "För att kunna ta upp så mycket järn som möjligt, dessa transportproteiner är möjligen hyperaktiva. Som en bieffekt, de tar också upp (icke-specifikt) metalljoner som är tvåfaldigt positivt laddade, inklusive zink, "förklarar professor Vance.

På en expedition för att samla kiselalger

För att testa denna hypotes, en av Vances doktorander och två postdoktorer deltar i Swiss Polar Institute nuvarande Antarctic Circumpolar Expedition. De kommer att samla havsvattenprover och odla kiselalgerna i vattnet under olika näringsförhållanden i laboratoriet ombord. Forskarna kommer att befrukta några av kiselalgerna med järn, till exempel, för att undersöka effekten detta spårelement har på celltillväxt. Den kemiska analysen av skalet och cellerna kommer endast att utföras efter expeditionen, tillbaka på ETH Zürich, som en speciell masspektrometer behövs för att mäta de extremt små mängder spårelement i diatomerskalorna.

Att förstå hur kiselalgerna påverkar näringscyklerna i världshaven hjälper forskare att bedöma de potentiella konsekvenserna av klimatförändringar. "Om den globala uppvärmningen får temperaturen att stiga eller saltinnehållet i havsvatten faller, havsströmmarna och fördelningen av spårämnen och näringsämnen kan också förändras, vilket i sin tur skulle påverka kiselalger och deras biologiska aktivitet ”, betonar professor Vance.