Модель системы Земли, управляемая нейронной сетью, привела океанографов Калифорнийского университета в Ирвине к неожиданному выводу: к концу 21 века популяции фитопланктона в низкоширотных водах будут расти.
Неожиданный результат моделирования противоречит давнему убеждению многих представителей экологического сообщества, что грядущее глобальное изменение климата сделает тропические океаны негостеприимными для фитопланктона, который является основой водной пищевой сети. Исследователи UCI представили доказательства своих выводов в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Geoscience.
Старший автор Адам Мартини, профессор океанографии UCI, объяснил, что распространенное мнение о биомассе фитопланктона основано на все более стратифицированном океане. Потепление морей препятствует смешиванию более тяжелого холодного слоя на глубине с более легкой теплой водой ближе к поверхности. При меньшей циркуляции между уровнями меньшее количество питательных веществ достигает верхних слоев, где к ним может получить доступ голодный планктон.
«Все климатические модели имеют встроенный в них механизм, и это привело к этим хорошо зарекомендовавшим себя прогнозам о том, что продуктивность фитопланктона, биомасса и экспорт в глубины океана будут снижаться с изменением климата», - сказал он. «Модели земной системы в значительной степени основаны на лабораторных исследованиях фитопланктона, но, конечно, лабораторные исследования планктона - это не настоящий океан».
По словам Мартини, ученые традиционно учитывают планктон, измеряя количество хлорофилла в воде. В очень жарких низкоширотных регионах значительно меньше зелени по сравнению с более прохладными регионами, расположенными дальше от экватора.
Проблема в том, что хлорофилл - это не все, что есть в клетке, и на самом деле в низких широтах многие планктоны характеризуются очень небольшим его количеством; там так много солнечного света, что планктону нужно всего несколько молекул хлорофилла чтобы получить достаточно энергии для роста», - отметил он. «На самом деле у нас пока очень мало данных, чтобы фактически продемонстрировать, есть ли больше или меньше биомассы в регионах, подвергающихся стратификации. В результате эмпирическая база меньшего количества биомассы в более теплых регионах не так сильна».
Эти сомнения побудили Мартини и его коллег из UCI провести собственную перепись фитопланктона. Анализируя образцы из более чем 10 000 мест по всему миру, команда создала глобальный синтез ключевых групп фитопланктона, которые растут в теплых регионах.
Подавляющее большинство этих видов представляют собой очень крошечные клетки, известные как пикофитопланктон. Пикофитопланктон в десять раз меньше в диаметре, чем штаммы планктона, которые можно найти у побережья Калифорнии, и в 1000 раз меньше по объему. Тем не менее, пикофитопланктон велик по численности и составляет от 80 до 90 процентов биомассы планктона в большинстве теплых регионов.
Группа построила глобальные карты и сравнила количество биомассы по градиенту температуры, ключевому параметру, по словам Мартини. Проведя анализ с помощью машинного обучения, чтобы определить разницу сейчас по сравнению с 2100 годом, они обнаружили большой сюрприз: «Во многих регионах произойдет увеличение биомассы планктона на 10-20 процентов, а не ее снижение», - сказал Мартини.
«Машинное обучение не зависит от человеческого разума», - сказал он. «Мы просто даем модели тонны и тонны данных, но они могут помочь нам бросить вызов существующим парадигмам».
Одна из теорий, которую команда исследовала, чтобы объяснить рост, с помощью соавтора Франсуа Примо, профессора UCI по науке о системе Земли, была связана с тем, что происходит с фитопланктоном в конце их жизненного цикла.
«Когда планктон умирает, особенно эти мелкие виды, они остаются на некоторое время дольше, и, возможно, при высокой температуре другой планктон может легче разлагать их и перерабатывать питательные вещества обратно для создания новой биомассы», - сказал Мартини.
Такие особенности экосистемы нелегко учесть в традиционных механистических моделях системы Земля, по словам Мартини, но они были частью географически разнообразного набора данных, который команда использовала для обучения своей количественной модели ниши, полученной с помощью нейронной сети.
Мартини сказал, что это исследование, являющееся продолжением исследования, опубликованного прошлым летом, является еще одним свидетельством разнообразия и устойчивости фитопланктона.
«Очевидно, что мы могли бы позволить изменению климата выйти из-под контроля и перейти на совершенно неизведанную территорию, и тогда все ставки сняты», - сказал он. «Но, по крайней мере, на какое-то время, я думаю, адаптивные способности этих разнообразных сообществ планктона помогут им поддерживать высокую биомассу, несмотря на эти изменения окружающей среды».
К Мартини и Примо присоединились коллеги-авторы Педро Фломбаум, бывший научный сотрудник UCI с докторской степенью, а затем приглашенный ученый в области науки о системе Земли (в настоящее время профессор Университета Буэнос-Айреса, Аргентина), и Вейлей Ван, научный сотрудник UCI с докторской степенью в области Земли. системная наука. Исследование получило поддержку программы «Десять больших идей» Национального научного фонда и Управления биологических и экологических исследований Министерства энергетики США.