Havet är jordens mest formidabla koldioxidlagringsmaskin, men mysterier finns fortfarande i överflöd om de sammankopplade processerna för denna lagring och de otaliga organismerna som är involverade.

Nu, tack vare en serie artiklar publicerade i tidskriften Frontiers in Marine Science , forskare vid Florida State University går mot en tydligare förståelse av havets kollagring, dess biologiska aktörer och de faktorer som kan begränsa dess effektivitet.

I tre studier av den biologiska kolpumpen – processen genom vilken koldioxid som produceras av fotosyntetiska alger i ythavet överförs till havsbotten och lagras i årtusenden – fann docent i oceanografi Mike Stukel och hans medarbetare att mikroskopiskt djurplankton spelar avgörande roll, ofta underskattade och ibland oppositionella roller i transporten och bindningen av kol.

"Dessa organismer bidrar till den biologiska kolpumpen genom att skapa kolrika fekala pellets som snabbt sjunker ner i havet, " sade Stukel. "Men, en del djurplankton livnär sig också på sjunkande partiklar, vilket minskar effektiviteten hos den biologiska kolpumpen."

Cirka 5-12 metriska gigaton kol transporteras årligen av den biologiska kolpumpen - en volym som liknar mängden koldioxid som produceras av människor varje år genom förbränning av fossila bränslen.

Dock, horder av hungrigt djurplankton hundratals meter under ytan konsumerar ofta kolrika partiklar som sjunker mot havsbotten, att avbryta den transportprocessen.

"Detta förhindrar att kolet binds på djupare djup och säkerställer att det kommer tillbaka i atmosfären tidigare, sa Stukel.

De flesta studier av djurplanktonets roll i globala biogeokemiska cykler, Stukel sa, har fokuserat främst på krill och liknande vanliga grupper, med antagandet att deras beteende är representativt för allt djurplankton i havet. Men hans studie visar de många olika sätt som dessa diminutiva organismer kan förändra, och ibland hindra, den biologiska kolpumpen.

I en undersökning av två specifika typer av djurplankton, feodarianer och pteropoder, Stukel och hans team fann att dessa grupper av sjunkande partikelmatande organismer kan påverka koltransporten lika mycket som mer rikligt förekommande djurplankton med suspensionsmatare som krill, som äter på flytande organiskt material närmare havets yta.

"Vissa arter har väldigt olika egenskaper som ger dem en överdriven betydelse i marin biogeokemi, " han sa.

Den regelbundna vertikala migrationen av djurplankton från ytan till djupare vatten är avgörande för transport och säker lagring av kol i havet. Stukel och FSU doktorand Thomas Kelly fann att dessa outtröttliga resenärer står för mycket mer koldioxidtransport än tidigare uppskattningar skulle antyda.

Med hjälp av en avancerad, integrerad ekosystemmodell, Stukel och Kelly utvärderade algproduktionshastigheter på ytnivå, biomassauppskattningar och krav på bytesdjur och fiskar och djurplankton. Deras modell visade att de metaboliska kraven från organismer hundratals meter under ytan krävde större migratorlevererat kol än förväntat.

Resultatet:Betydande koltransport från vertikalt migrerande djurplankton var mer ekologiskt viktig än väntat.

"De flesta tidigare uppskattningar av migrationsrelaterat kolflöde har föreslagit att migration bara är ansvarig för 5 till 20 procent av nedåtgående flöde, " sade Stukel. "Men, vår studie tyder på att tidigare resultat kan ha underskattat den verkliga betydelsen av migration, och att det faktiskt kan bidra med nästan hälften av det totala flödet i produktiva kustregioner."

Forskare har en arsenal av strategier för att bedöma kolrikt partikelflöde i den biologiska kolpumpen. Några av dem, som drivande sedimentfällor, kräver lång tid ombord på forskningsfartyg, en kostnad som ofta kan vara oöverkomlig.

En annan metod, kallas optisk bildbehandling, gör det möjligt för forskare att ta detaljerade foton av partiklar med undervattenskameror och använda profiler av partiklarnas storlek för att få ny förståelse för deras rörelse i vattenpelaren.

"I grund och botten, teorin säger att det borde finnas samband mellan partikelstorlek och både sjunkhastighet och kolinnehåll, " Sa Stukel. "Om vi ​​kan mäta storleken och förekomsten av partiklar - och om dessa teoretiska samband håller - kan vi uppskatta partikelflödet genom att ta bilder av partiklar i havet."

Stukel och FSU-studenten Christian Fender testade den mer kostnadseffektiva optiska avbildningsmetoden. De fann att konventionella algoritmer för att mäta partikelflöde från bildprofiler fungerade särskilt dåligt i California Current Ecosystem. Den primära frågan, Stukel sa, var algoritmernas misslyckande att tillräckligt redogöra för tyngre, snabbt sjunkande djurplankton fekala pellets, som är en viktig komponent i regionens totala partikelflöde.

Som svar på detta fynd, teamet utvecklade en algoritm utformad för att uppskatta flödet från partikelstorlek under de specifika förhållanden som råder i California Current Ecosystem. Dessa speciellt skräddarsydda parametrar, som visade betydelsen av djurplanktonfekala pellets, överträffade avsevärt standardalgoritmerna.

Studien visade att, för att på bästa sätt kunna utnyttja mer överkomliga strategier för optisk avbildning, forskare måste vara mycket uppmärksamma på de specifika miljöer och partiklar som de undersöker.

"Våra resultat visar att kameror behöver kvantifiera inte bara storleken på partikeln, men också klassificera vilken typ av partikel det är, sa Stukel.

De tre studierna som tagits fram av Stukel och hans team avslöjar nya insikter i mikroskalig mekanik för en av världens viktigaste koltransportprocesser. Förutom att lyfta fram djurplanktonets gatekeeping-djurplankton som ofta stoppar lagringen av mycket kolhaltiga partiklar och den historiskt undervärderade rollen som planktonmigratorer har i den biologiska kolpumpen, forskningen ger också viktiga förslag om hur man bättre kan utvärdera kolflödet i varierande havsmiljöer runt om i världen.

Stukel sa att det bästa sättet att uppnå en mer heltäckande förståelse av den biologiska kolpumpen är att utveckla en djupare uppskattning för mängden plankton som håller den igång.

"Med tanke på deras olika roller i den biologiska kolpumpen, det är viktigt för forskare att inte bara överväga hur många djurplankton som finns i en viss region, men också att fokusera på dessa gruppers mångfald och funktionella roller, " han sa.