نمذجة الطحالب الدقيقة لفهم عمل المحيط بشكل أفضل

يمتص المحيط ربع ثاني أكسيد الكربون الناتج عن الأنشطة البشرية ، ويلعب دورًا رئيسيًا في إبطاء تغير المناخ. إن الحصول على فهم أفضل لهذه العمليات أمر بالغ الأهمية لفهم دور المحيط في نظام المناخ العالمي ولتوقع الاضطرابات الناجمة عن تغير المناخ بشكل أفضل.

النماذج الرقمية هي من بين الأدوات الأكثر استخدامًا للقيام بذلك. إنها تمثل المناخ على كوكب الأرض الافتراضي ، ولا غنى عنها لاستكشاف الماضي والتنبؤ بالظروف المناخية المستقبلية ، وفهم كيفية عمل مناخنا الحالي.

التحدي المتمثل في نمذجة المحيطات

تعتمد هذه النماذج على سلسلة من المعادلات التي تحكم الظواهر الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية الرئيسية التي تشكل مناخ العالم. تأتي صعوبة تمثيل هذه القوى من تعقيد محاكاة العمليات الفيزيائية والبيولوجية المتضمنة وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض.

فيما يتعلق بالجغرافيا الطبيعية للمحيطات ، فإن المعادلات معروفة ومحددة إلى حد ما. يعتمد تحسين النماذج في المقام الأول على دقة أعلى ، ومحدودة في الوقت الحالي بسعة المعالجة ومساحة التخزين لأجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا.

عندما يتعلق الأمر بالعوامل البيولوجية ، هناك الكثير من الأسئلة حول أفضل طريقة لتشفير وتبسيط العمليات ذات التعقيد الأعلى. لغليها: CO₂ يتم تنظيم الأسر بشكل أساسي بواسطة العوالق النباتية. تعيش هذه الطحالب المجهرية على سطح المحيط وتمتص ثاني أكسيد الكربون₂ عن طريق التمثيل الضوئي. عندما تموت العوالق النباتية ، تسقط بعض الكائنات الحية في قاع المحيط ، مما يوفر مخزونًا للكربون لمئات ، بل لآلاف السنين.

لتمثيل العوالق النباتية ، فإن أحد الأساليب الأكثر شيوعًا هو تقسيمها إلى “أنواع وظيفية” – وهذا يعني مجموعات مميزة من العوالق النباتية التي لها سمات مشتركة مهمة مثل الحجم أو استراتيجية التغذية. يفترض هذا النهج أن كل نوع يمكن أن يكون له تأثير مختلف على دورة الكربون ويلعب دورًا مختلفًا في النظام البيئي.

Diazotrophs – حلفاء المناخ

نوع واحد على وجه الخصوص ، ديازوتروف ، تحت دائرة الضوء في الوقت الحالي. تستخدم هذه الكائنات ، كما يشير اسمها ، جزيئات النيتروجين (N2) لنموها (من الناحية الاشتقاقية ، للتغذية ، من الكلمة اليونانية الجوائز). من خلال تحويل N2 ، توفر الديازوتروفات العناصر الغذائية الضرورية للعوالق النباتية الأخرى وتسمح لها بالبناء الضوئي. وبالتالي فإن لها دورًا أساسيًا كأسمدة طبيعية للمحيطات.

أظهرت الدراسات الحديثة في الميدان والمختبر التنوع الكبير للديازوتروف وتكيفها مع البيئات المختلفة. على سبيل المثال ، بينما كان يُعتقد سابقًا أن الديازوتروفات كانت محصورة في المياه الاستوائية الدافئة الصافية ، تم اكتشاف بعض الديازوتروف أحادي الخلية في بحار القطب الشمالي أو في ظلام المحيط العميق.

على الرغم من ذلك ، ظل الباحثون لفترة طويلة يتبنون وجهة نظر مفادها أن الديازوتروفات تساهم بشكل ضئيل في عزل الكربون ، لأن Trichodesmium – تاريخياً الديازوتروف الأكثر دراسة – يميل إلى البقاء على سطح المحيط وقليل من التعرض للافتراس. ولكن تم جمع الأدلة وتبين أن أنواعًا أخرى من الديازوتروف (تلك المتورطة في التعايش مع الطحالب المشطورة) تشارك في تدفقات الكربون الهامة نحو الأعماق).

على الرغم من أهميتها ، غالبًا ما يتم تمثيل الديازوتروفات بطريقة سطحية للغاية في النماذج الرقمية. هذا نتيجة لأن فهمنا لعلم وظائف الأعضاء لا يزال محدودًا ، والقيود المفروضة على قدرة الحوسبة – عندما يضيف المرء تعقيدًا إلى النماذج ، تستغرق عمليات المحاكاة وقتًا طويلاً أو تحتاج إلى معالجات أكثر قوة.

لا تزال العديد من النماذج الدولية ، مثل تلك المستخدمة من قبل الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ ، تعمل على أساس افتراض أن النيتروجين يُضاف بشكل مصطنع إلى سطح المحيط في ظروف معينة يُفترض أنها مواتية للديازوتروف.

تمثل النماذج الأخرى بشكل صريح عملية تثبيت النيتروجين ، ولكنها تقصر نفسها على نوع واحد من الديازوتروف بخصائص Trichodesmium. ومع ذلك ، يعد هذا نهجًا اختزاليًا للغاية نظرًا للتقدم العلمي ، ويحد من قدرتنا على التقاط التوزيع العالمي للطحالب الدقيقة ، وتقييم تأثيرها على بقية النظام البيئي ، والتنبؤ بعواقب تغير المناخ على كل من العوالق النباتية وعزل الكربون. عملية.

تمثيل أفضل للديازوتروف في النماذج الرقمية

لمعالجة هذه الثغرات ، قمنا بتطويرها في إطار المشروع فكرة تمثيل جديد تمامًا للديازوتروف ، يتضمن هذه المرة ثلاثة أنواع مختلفة.

إذا كانت المعادلات التي تصف نمو الديازوتروف وموتها هي نفسها ، يتم تمييز كل نوع عن الأنواع الأخرى من خلال عوامل محددة ، تتوافق مع كيفية تفاعل كل نوع مع درجات الحرارة المختلفة ، وكمية ضوء الشمس أو توافر العناصر الغذائية.

تم دمج هذا التمثيل المبتكر للديازوتروف في نموذج رقمي عالي الدقة مطبق على المحيط الأطلسي – نقطة ساخنة للديازوتروف.

أدى حساب تنوع الديازوتروفات إلى توسع تثبيت النيتروجين في النماذج الرقمية للمحيطات ، وتوافق أوثق مع الملاحظات الميدانية. كما زادت تقديرات تدفقات الكربون الرأسية ، لا سيما في مناطق مثل غرب المحيط الأطلسي الاستوائي ، حيث تزدهر الديازوتروفات في التعايش مع الطحالب المشطورة.

يتيح لنا النموذج الجديد معالجة القضايا التي لم يتم دراستها ، مثل المنافسة بين الديازوتروف ، ولكن أيضًا لفهم الدور الذي تلعبه الطحالب الدقيقة بشكل أفضل في سياق كوكب متغير. ما هي أهميتها كمصدر للنيتروجين بالنسبة للمنتجين الآخرين في أسفل السلسلة الغذائية؟ هل يمكن أن تساعد الديازوتروف في الحد من آثار تغير المناخ؟ إن احتمالات إجراء مزيد من البحث التي تم فتحها من خلال هذا التمثيل الأكثر واقعية هائلة.

يتم دعم مشروع بحث NOTION الموضح في هذه المقالة بسخاء من قبل مؤسسة BNP Paribas كجزء من مبادرة المناخ والتنوع البيولوجي.

ترجمة جوشوا نيشو