Historiskt sett haven har gjort mycket av planetens tunga lyft när det gäller att avlägsna koldioxid från atmosfären. Mikroskopiska organismer som tillsammans kallas växtplankton, som växer genom de solbelysta yt oceanerna och absorberar koldioxid genom fotosyntes, är en nyckelspelare.

För att förhindra eskalerande koldioxidutsläpp från förbränning av fossila bränslen, vissa forskare har föreslagit att såda haven med järn - en viktig ingrediens som kan stimulera växtplanktontillväxt. Sådan "järnbefruktning" skulle odla stora nya fytoplanktonfält, särskilt i områden som normalt saknar marint liv.

En ny MIT -studie tyder på att järnbefruktning kanske inte har någon betydande inverkan på växtplanktontillväxt, åtminstone i global skala.

Forskarna studerade interaktionerna mellan växtplankton, järn, och andra näringsämnen i havet som hjälper växtplankton att växa. Deras simuleringar tyder på att i global skala, marint liv har justerat havskemi genom dessa interaktioner, utvecklas för att bibehålla en nivå av havsjärn som stöder en känslig balans av näringsämnen i olika delar av världen.

"Enligt vår ram, järnbefruktning kan inte ha en signifikant övergripande effekt på mängden kol i havet eftersom den totala mängden järn som mikrober behöver redan är lagom, säger huvudförfattaren Jonathan Lauderdale, en forskare vid MIT:s Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap.

Tidningens medförfattare är Rogier Braakman, Gael Glöm, Stephanie Dutkiewicz, och Mick följer på MIT.

Ligandsoppa

Järnet som växtplankton är beroende av för att växa kommer till stor del från damm som sveper över kontinenterna och så småningom lägger sig i havsvatten. Även om stora mängder järn kan deponeras på detta sätt, majoriteten av detta järn sjunker snabbt, oanvänd, till havsbotten.

"Det grundläggande problemet är marina mikrober kräver järn för att växa, men järn hänger inte. Dess koncentration i havet är så liten att det är en värdefull resurs, "Säger Lauderdale.

Därav, forskare har lagt fram järnbefruktning som ett sätt att införa mer järn i systemet. Men järntillgängligheten för växtplankton är mycket högre om den är bunden till vissa organiska föreningar som håller järn i ytan och själva produceras av växtplankton. Dessa föreningar, känd som ligander, utgör vad Lauderdale beskriver som en "soppa av ingredienser" som vanligtvis kommer från organiska avfallsprodukter, döda celler, eller sideroforer - molekyler som mikroberna har utvecklats för att binda specifikt med järn.

Inte mycket är känt om dessa järnfällande ligander i ekosystemskalan, och teamet undrade vilken roll molekylerna spelar för att reglera havets förmåga att främja växtplanktons tillväxt och i slutändan absorbera koldioxid.

"Folk har förstått hur ligander binder järn, men inte vilka egenskaper som dyker upp för ett sådant system i global skala, och vad det betyder för biosfären som helhet, "Säger Braakman." Det är vad vi har försökt att modellera här. "

Iron sweet spot

Forskarna bestämde sig för att karakterisera interaktionen mellan järn, ligander, och makronäringsämnen som kväve och fosfat, och hur dessa interaktioner påverkar växtplanktons globala befolkning och, samtidigt, havets kapacitet att lagra koldioxid.

Teamet utvecklade en enkel tre-box modell, med varje låda som representerar en allmän havsmiljö med en särskild balans av järn kontra makronäringsämnen. Den första rutan representerar avlägsna vatten som södra oceanen, som vanligtvis har en anständig koncentration av makronäringsämnen som är uppvärmda från djuphavet. De har också ett lågt järninnehåll med tanke på deras stora avstånd från alla kontinentala dammkällor.

Den andra rutan representerar Nordatlanten och andra vatten som har en motsatt balans:hög i järn på grund av närheten till dammiga kontinenter, och låg i makronäringsämnen. Den tredje lådan är en stand-in för djuphavet, som är en rik källa till makronäringsämnen, såsom fosfater och nitrater.

Forskarna simulerade ett allmänt cirkulationsmönster mellan de tre rutorna för att representera de globala strömmarna som förbinder världens alla hav:Cirkulationen börjar i Nordatlanten och dyker ner i djuphavet, vänder sedan upp i södra oceanen och återvänder tillbaka till Nordatlanten.

Teamet ställde in relativa koncentrationer av järn och makronäringsämnen i varje låda, drev sedan modellen för att se hur växtplanktontillväxten utvecklades i varje låda över 10, 000 år. De sprang 10, 000 simuleringar, var och en med olika ligandegenskaper.

Av deras simuleringar, forskarna identifierade en avgörande positiv återkopplingsslinga mellan ligander och järn. Hav med högre koncentrationer av ligander hade också högre koncentrationer av järn tillgängliga för växtplankton att växa och producera fler ligander. När mikrober har mer än tillräckligt med järn att äta, de konsumerar så mycket av de andra näringsämnen de behöver, såsom kväve och fosfat, tills dessa näringsämnen har tömts helt.

Motsatsen gäller för hav med låga ligandkoncentrationer:Dessa har mindre järn tillgängligt för växtplanktontillväxt, och har därför mycket liten biologisk aktivitet i allmänhet, vilket leder till mindre konsumtion av makronäringsämnen.

Forskarna observerade också i sina simuleringar ett smalt intervall av ligandkoncentrationer som resulterade i en söt fläck, där det fanns precis rätt mängd ligand för att göra tillräckligt med järn tillgängligt för växtplanktontillväxt, samtidigt som de lämnar precis rätt mängd makronäringsämnen kvar för att upprätthålla en helt ny tillväxtcykel i alla tre havslådorna.

När de jämförde sina simuleringar med mätningar av näringsämnen, järn, och ligandkoncentrationer tagna i den verkliga världen, de fann att deras simulerade sweet spot -intervall visade sig vara den närmaste matchen. Det är, världshaven verkar ha precis rätt mängd ligander, och därför järn, tillgänglig för att maximera tillväxten av växtplankton och optimalt konsumera makronäringsämnen, i en självförstärkande och självhållbar resursbalans.

Om forskare i stor utsträckning skulle befrukta södra oceanen eller andra järnutarmade vatten med järn, insatsen skulle tillfälligt stimulera växtplankton att växa och ta upp alla tillgängliga makronäringsämnen i den regionen. Men så småningom skulle det inte finnas några makronäringsämnen kvar att cirkulera till andra regioner som Nordatlanten, som beror på dessa makronäringsämnen, tillsammans med järn från dammavlagringar, för växtplanktontillväxt. Nettoresultatet skulle bli en eventuell minskning av växtplankton i Nordatlanten och ingen signifikant ökning av koldioxidutsläppet globalt.

Lauderdale påpekar att det också kan finnas andra oavsiktliga effekter för att gödsla södra oceanen med järn.

"Vi måste betrakta hela havet som detta sammankopplade system, "säger Lauderdale, som tillägger att om växtplankton i Nordatlanten skulle rasa, så skulle också allt marint liv i livsmedelskedjan som är beroende av de mikroskopiska organismerna.

"Något som 75 procent av produktionen norr om södra oceanen drivs av näringsämnen från södra oceanen, och de norra oceanerna är där de flesta fiske är och där många ekosystemfördelar för människor uppstår, "Säger Lauderdale." Innan vi tömmer massor av järn och drar ner näringsämnen i södra oceanen, vi bör överväga oavsiktliga konsekvenser nedströms som potentiellt kan göra miljösituationen mycket värre. "