En neural nätverksdriven jordsystemmodell har lett University of California, Irvines oceanografer drar en överraskande slutsats:växtplanktonpopulationer kommer att växa i vatten på låg latitud i slutet av 2000-talet.

Det oväntade simuleringsresultatet strider mot den långvariga uppfattningen av många inom miljövetenskapen att framtida globala klimatförändringar kommer att göra tropiska hav ogästvänliga för växtplankton, som är basen i den akvatiska näringsväven. UCI-forskarna ger bevis för sina resultat i en artikel som publicerades idag i Naturgeovetenskap .

Senior författare Adam Martiny, UCI professor i oceanografi, förklarade att det rådande tänkandet om växtplanktonbiomassa är baserat på ett alltmer skiktat hav. Uppvärmande hav hämmar blandningen mellan det tyngre kalla lagret i det djupa och lättare varma vattnet närmare ytan. Med mindre cirkulation mellan nivåerna, färre näringsämnen når de högre skikten där de kan nås av hungrig plankton.

"Alla klimatmodeller har den här mekanismen inbyggd i sig, och det har lett till dessa väletablerade förutsägelser att växtplanktonproduktivitet, biomassa och export till djuphavet kommer alla att minska med klimatförändringarna, ", sa han. "Modeller av jordsystem är till stor del baserade på laboratoriestudier av växtplankton, men naturligtvis är laboratoriestudier av plankton inte det verkliga havet."

Enligt Martiny, forskare redovisar traditionellt plankton genom att mäta mängden klorofyll i vattnet. Det finns betydligt mindre av det gröna i områden med låg latitud som är mycket varma jämfört med kallare områden längre bort från ekvatorn.

"Problemet är att klorofyll inte är allt som finns i en cell, och faktiskt på låga breddgrader, många plankton kännetecknas av att ha en mycket liten mängd av det; det är så mycket solljus, plankton behöver bara några få klorofyllmolekyler för att få tillräckligt med energi för att växa, " noterade han. "I verkligheten, vi har hittills haft väldigt lite data för att faktiskt visa om det finns mer eller mindre biomassa i regioner som genomgår stratifiering. Som ett resultat, den empiriska grunden för mindre biomassa i varmare regioner är inte så stark."

Dessa tvivel fick Martiny och hans UCI-kollegor att genomföra sin egen växtplanktonräkning. Analysera prover från mer än 10, 000 platser runt om i världen, teamet skapade en global syntes av de viktigaste växtplanktongrupperna som växer i varma områden.

De allra flesta av dessa arter är mycket små celler som kallas pikofytoplankton. Tio gånger mindre i diameter än de planktonstammar man skulle hitta utanför Kaliforniens kust – och 1, 000 gånger mindre voluminöst - pikofytoplankton är ändå stort i antal, utgör 80 till 90 procent av planktonbiomassan i de flesta varma områden.

Gruppen byggde globala kartor och jämförde mängden biomassa längs temperaturgradienten, en nyckelparameter, enligt Martiny. Genomför en maskininlärningsanalys för att fastställa skillnaden nu mot år 2100, de fann en stor överraskning:"I många regioner skulle det ske en ökning med 10 till 20 procent av planktonbiomassan, snarare än en nedgång, sa Martiny.

"Maskininlärning är inte partisk av det mänskliga sinnet, " sa han. "Vi ger bara modellen massor av data, men de kan hjälpa oss att utmana befintliga paradigm."

En av teorierna som teamet utforskade för att förklara tillväxten, med hjälp av medförfattaren Francois Primeau, UCI professor i jordsystemvetenskap, hade att göra med vad som händer med växtplankton i slutet av deras livscykel.

"När plankton dör - särskilt dessa små arter - sitter de kvar ett tag till, och kanske vid hög temperatur kan annat plankton lättare bryta ner dem och återvinna näringsämnena tillbaka för att bygga ny biomassa, sa Martiny.

Sådana ekosystemegenskaper är inte lätta att ta hänsyn till av traditionella, mekanistiska jordsystemmodeller, enligt Martiny, men de var en del av den geografiskt mångsidiga datamängd som teamet använde för att träna sin kvantitativa nischmodell som härrör från neurala nätverk.

Martiny sa att denna studie som en uppföljning av forskning som publicerades förra sommaren är ytterligare bevis på mångfalden och motståndskraften hos växtplankton.

"Vi skulle uppenbarligen kunna låta klimatförändringarna gå över styr och gå in på helt okänt territorium, och då är alla satsningar avstängda, " sa han. "Men åtminstone för ett tag, Jag tror att anpassningsförmågan i dessa olika planktonsamhällen kommer att hjälpa dem att upprätthålla hög biomassa trots dessa miljöförändringar."

Till Martiny och Primeau kom författarkollegorna Pedro Flombaum, tidigare UCI-postdoktor och senare gästforskare i jordsystemvetenskap (för närvarande professor vid universitetet i Buenos Aires, Argentina), och Weilei Wang, UCI postdoktor i jordsystemvetenskap. Studien fick stöd från National Science Foundations Ten Big Ideas-program och U.S. Department of Energy Office of Biological and Environmental Research.