Praktiskt taget allt marint liv beror på produktiviteten hos växtplankton - mikroskopiska organismer som arbetar outtröttligt på havets yta för att absorbera koldioxiden som löses upp i det övre havet från atmosfären.

Genom fotosyntes, dessa mikrober bryter ner koldioxid till syre, varav några till slut släpps tillbaka till atmosfären, och organiskt kol, som de lagrar tills de själva är konsumerade. Detta plankton-härledda kol bränsle till resten av den marina näringsväven, från de minsta räkor till jättelika havssköldpaddor och knölvalar.

Nu, forskare vid MIT, Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), och på andra håll har funnit bevis för att växtplanktons produktivitet minskar stadigt i Nordatlanten, en av världens mest produktiva marina bassänger.

I en tidning som kommer ut idag i Natur , forskarna rapporterar att växtplanktonets produktivitet i denna viktiga region har sjunkit med cirka 10 procent sedan mitten av 1800-talet och början av den industriella eran. Denna nedgång sammanfaller med stadigt stigande yttemperaturer under samma tidsperiod.

Matthew Osman, tidningens huvudförfattare och en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, and Planetary Sciences och MIT/WHOI Joint Program in Oceanography, säger att det finns indikationer på att växtplanktonets produktivitet kan minska ytterligare när temperaturerna fortsätter att stiga som ett resultat av klimatförändringar orsakade av människor.

"Det är en tillräckligt betydande nedgång för att vi borde vara oroliga, " Osman säger. "Mängden produktivitet i haven skalar ungefär med hur mycket växtplankton du har. Så detta översätts till 10 procent av den marina matbasen i denna region som har gått förlorad under den industriella eran. Om vi ​​har en växande befolkning men en minskande matbas, någon gång kommer vi sannolikt att känna effekterna av den nedgången."

Borra igenom "pannkakor" av is

Osman och hans kollegor letade efter trender i växtplanktons produktivitet med hjälp av den molekylära föreningen metansulfonsyra, eller MSA. När växtplankton expanderar till stora blomningar, vissa mikrober avger dimetylsulfid, eller DMS, en aerosol som lyfts upp i atmosfären och så småningom bryts ner som antingen sulfataerosol, eller MSA, som sedan avsätts på havs- eller landytor av vindar.

"Till skillnad från sulfat, som kan ha många källor i atmosfären, det insågs för cirka 30 år sedan att MSA hade en mycket unik aspekt av det, vilket är att det bara kommer från DMS, som i sin tur bara kommer från dessa växtplanktonblomningar, " Osman säger. "Så alla MSA du mäter, du kan vara säker på att du bara har en unik källa - växtplankton."

I Nordatlanten, växtplankton producerade sannolikt MSA som deponerades i norr, inklusive över Grönland. Forskarna mätte MSA i Grönlands iskärnor - i det här fallet med hjälp av 100 till 200 meter långa kolumner av snö och is som representerar lager av tidigare snöfallshändelser som har bevarats under hundratals år.

"De är i grunden sedimentära lager av is som har staplats ovanpå varandra under århundraden, som pannkakor, säger Osman.

Teamet analyserade totalt 12 iskärnor, var och en samlad in från en annan plats på Grönlands inlandsis av olika grupper från 1980-talet till nutid. Osman och hans rådgivare Sarah Das, en associerad forskare vid WHOI och medförfattare på tidningen, samlade en av kärnorna under en expedition i april 2015.

"Villkoren kan vara riktigt svåra, " säger Osman. "Det är minus 30 grader Celsius, blåsigt, och det finns ofta whiteout-förhållanden i en snöstorm, där det är svårt att skilja himlen från själva inlandsisen."

Teamet kunde ändå utvinna, meter för meter, en 100 meter lång kärna, med hjälp av en gigantisk borrmaskin som levererades till lagets plats via ett litet skidutrustat flygplan. De arkiverade omedelbart varje iskärnsegment i en kraftigt isolerad kylförvaringslåda, flög sedan lådorna på "kalldäcksflygningar" — flygplan med omgivningsförhållanden på runt minus 20 grader Celsius. När planen väl landade, frysbilar transporterade iskärnorna till forskarnas iskärnelaboratorier.

"Hela processen för hur man säkert transporterar en 100 meter lång issektion från Grönland, hålls vid minus-20 graders förhållanden, tillbaka till USA är ett enormt åtagande, säger Osman.

Kaskadeffekter

Teamet inkorporerade expertis från forskare vid olika laboratorier runt om i världen för att analysera var och en av de 12 iskärnorna för MSA. På alla 12 rekord, de observerade en påfallande minskning av MSA-koncentrationer, med början i mitten av 1800-talet, runt starten av den industriella eran när den storskaliga produktionen av växthusgaser började. Denna minskning av MSA är direkt relaterad till en minskning av växtplanktonproduktiviteten i Nordatlanten.

"Det här är första gången vi tillsammans har använt dessa MSA-poster från iskärnan från hela Grönland, och de visar denna sammanhängande signal. Vi ser en långsiktig nedgång som har sitt ursprung ungefär samtidigt som när vi började störa klimatsystemet med utsläpp av växthusgaser i industriell skala, " Osman säger. "Norda Atlanten är ett så produktivt område, och det finns en enorm multinationell fiskeriekonomi relaterad till denna produktivitet. Alla förändringar i basen av denna näringskedja kommer att ha kaskadeffekter som vi i slutändan kommer att känna vid våra middagsbord."

Den månghundraåriga nedgången i växtplanktonproduktiviteten verkar inte bara sammanfalla med samtidiga långvariga uppvärmningstemperaturer; den visar också synkrona variationer på decadala tidsskalor med det storskaliga havscirkulationsmönstret känt som Atlantic Meridional Overturning Circulation, eller AMOC. Detta cirkulationsmönster verkar vanligtvis för att blanda lager av djuphavet med ytan, möjliggör utbyte av välbehövliga näringsämnen som växtplankton livnär sig på.

På senare år har forskare har hittat bevis på att AMOC försvagas, en process som fortfarande inte är väl förstådd men som delvis kan bero på att värmande temperaturer ökar smältningen av Grönlands is. Denna issmältning har lagt till ett inflöde av mindre tätt sötvatten till Nordatlanten, som verkar för att stratifiera, eller separera dess lager, ungefär som olja och vatten, förhindrar att näringsämnen i djupet väller upp till ytan. Denna uppvärmningsinducerade försvagning av havscirkulationen kan vara det som driver växtplanktonets nedgång. När atmosfären värmer det övre havet i allmänhet, detta kan också främja havets skiktning, försämring av växtplanktons produktivitet.

"Det är ett-två slag, " säger Osman. "Det är inga goda nyheter, men resultatet av detta är att vi inte längre kan hävda okunnighet. Vi har bevis på att detta händer, och det är det första steget du måste ta för att lösa problemet, men vi gör det."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.