En ny USC-studie sätter havsmikrober i ett nytt ljus med viktiga konsekvenser för den globala uppvärmningen.

Studien, publicerad tisdag i Proceedings of the National Academy of Sciences , tillhandahåller en universell redovisningsmetod för att mäta hur kolbaserat material ackumuleras och cirkulerar i havet. Även om konkurrerande teorier ofta har diskuterats, det nya beräkningsramverket förenar skillnaderna och förklarar hur haven reglerar organiskt kol över tid.

Förvånande, det mesta av kolet sker inte på himlen utan under foten och under havet. Jordens växter, hav och lera lagrar fem gånger mer kol än atmosfären. Det ackumuleras i träd och jord, alger och sediment, mikroorganismer och havsvatten.

"Havet är en enorm kolreservoar med potential att mildra eller förstärka den globala uppvärmningen, sa Naomi Levine, senior författare till studien och biträdande professor vid avdelningen för biologiska vetenskaper vid USC Dornsife College of Letters, Konst och vetenskap. "Carbon cycling är avgörande för att förstå det globala klimatet eftersom det sätter temperaturen, vilket i sin tur sätter klimat- och vädermönster. Genom att förutsäga hur kolkretslopp och lagring fungerar, vi kan bättre förstå hur klimatet kommer att förändras i framtiden."

Processer som styr hur organiskt material - ruttnande växt- och djurmaterial i miljön som liknar det material som trädgårdsmästare lägger till jorden - ackumuleras är avgörande för jordens kolkretslopp. Dock, forskare har inga bra verktyg för att förutsäga när och hur organiskt material hopar sig. Det är ett problem eftersom en bättre förening av organiskt kol kan informera datormodeller som förutspår global uppvärmning och stöder offentlig politik.

Nytt USC-ramverk kan mäta ökningar av organiskt kol i havet

På senare år har forskare har erbjudit tre konkurrerande teorier för att förklara hur organiskt material ackumuleras, och var och en har sina begränsningar. Till exempel, en idé är att något organiskt material är i sig beständigt, liknar ett apelsinskal. Ibland är kol för utspätt så att mikrober inte kan hitta och äta det, som om de försöker hitta en enda gul jellybean i en burk full av vita. Och ibland, rätt mikrob är inte på rätt plats vid rätt tidpunkt för att fånga upp organiskt material på grund av miljöförhållanden.

Medan varje teori förklarar några observationer, USC-studien visar hur detta nya ramverk kan ge en mycket mer heltäckande bild och förklara den ekologiska dynamiken som är viktig för ackumulering av organiskt material i havet. Lösningen har bred användbarhet.

Till exempel, det kan hjälpa till att tolka data från alla tillstånd i havet. När den är kopplad till en komplett ekosystemmodell, ramverket står för olika typer av mikrober, vattentemperatur, näringsämnen, reproduktionshastigheter, solljus och värme, havsdjup och mer. Genom sin förmåga att representera olika miljöförhållanden över hela världen, modellen kan förutsäga hur organiskt kol kommer att ackumuleras i olika komplexa scenarier – ett kraftfullt verktyg i en tid då haven värms upp och jorden förändras snabbt.

"Att förutsäga varför organiskt kol ackumuleras har varit en olöst utmaning, sa Emily Zakem, en studie medförfattare och postdoktor vid USC Dornsife. "Vi visar att ackumuleringen av kol kan förutsägas med hjälp av detta beräkningsramverk."

Att bedöma det förflutna – och framtiden – för jordens hav

Verktyget kan också potentiellt användas för att modellera tidigare havsförhållanden som en förutsägelse av vad som kan vara i beredskap för jorden när planeten värms upp till stor del på grund av konstgjorda växthusgasutsläpp.

Specifikt, modellen kan titta på hur marina mikrober kan vända på världens kolbalans. Verktyget kan visa hur mikrober bearbetar organiskt material i vattenpelaren under ett givet år, såväl som på tusenåriga tidsskalor. Genom att använda den funktionen, modellen bekräftar – som tidigare förutspåtts – att mikrober kommer att konsumera mer organiskt material och återutsätta det som koldioxid när havet värms upp, vilket i slutändan kommer att öka atmosfärens kolkoncentrationer och öka uppvärmningen. Dessutom, studien säger att detta fenomen kan inträffa snabbt, på ett icke-linjärt sätt, när väl en tröskel har nåtts – en möjlig förklaring till några av de pisksågsklimatextremer som inträffade i jordens avlägsna förflutna.

"Detta tyder på att klimatförändringar, som uppvärmning, kan resultera i stora förändringar i organiskt kollager och att vi nu kan skapa hypoteser om när detta kan inträffa, sa Levine.

Till sist, forskningsrapporten säger att det nya verktyget kan modellera hur kol rör sig genom jord och sediment i den terrestra miljön, för, även om dessa ansökningar inte ingick i studien.