Limitação persistente de ferro equatorial no Pacífico sob forçamento ENSO

Natureza (2023)Cite este artigo

2160 acessos

85 Altmétrico

Detalhes das métricas

As respostas projectadas da produtividade primária líquida dos oceanos às alterações climáticas são altamente incertas1. Os modelos sugerem que a sensibilidade climática da limitação de nutrientes do fitoplâncton nas baixas latitudes do Oceano Pacífico desempenha um papel crucial1,2,3, mas isto é pouco limitado pelas observações4. Aqui mostramos que as mudanças no forçamento físico levaram a flutuações coerentes na força da limitação de ferro equatorial do Pacífico através de múltiplos ciclos de El Niño/Oscilação Sul (ENSO), mas que isto foi superestimado duas vezes por um modelo climático de última geração. Nossa avaliação foi possibilitada pelo uso inicial de uma combinação de experimentos de adição de nutrientes em campo, proteômica e radiometria hiperespectral acima da água para mostrar que as respostas fisiológicas do fitoplâncton à limitação de ferro levaram a alterações aproximadamente triplas na fluorescência do fitoplâncton normalizada pela clorofila. Em seguida, exploramos o registro de fluorescência de satélite de> 18 anos para quantificar a variabilidade da limitação de nutrientes induzida pelo clima. Estas restrições sinópticas proporcionam uma abordagem poderosa para avaliar o realismo das projecções dos modelos de produtividade primária líquida face às alterações climáticas.

As projeções do modelo da produtividade primária líquida marinha (NPP) global para o ano 2100 variam de aumentos a declínios de até 20% (ref. 1). Estas divergências centram-se em grande parte nas diferenças em baixas latitudes e resultam de variações entre modelos nos mecanismos subjacentes que regulam a NPP1,2,3. Tais incertezas são importantes porque levarão a impactos em cascata nos ecossistemas, na biogeoquímica dos oceanos e na ciclagem do carbono nos modelos. Mudanças de vários por cento na NPP reguladas pelo clima já ocorrem naturalmente em escalas interanuais, impulsionadas pelo impacto do El Niño/Oscilação Sul (ENSO) no Pacífico equatorial5,6,7. Acredita-se que estas alterações na NPP sejam impulsionadas por variações na taxa de ressurgência de nutrientes em águas profundas que controlam o seu fornecimento ao fitoplâncton5,6,8, com incertezas nas projeções futuras fortemente ligadas a alterações nos nutrientes limitantes do crescimento3.

A avaliação dos nutrientes limitantes, dos seus limites geográficos e da sua variação ao longo dos ciclos ENSO é fundamental para compreender a energia nuclear oceânica contemporânea e informar as projeções dos modelos climáticos4. Dessa forma, a variabilidade histórica pode atuar como uma “restrição emergente” nas projeções do modelo do sistema Terra7. Os métodos disponíveis para determinar a limitação de nutrientes têm-se centrado até agora em observações baseadas em navios, incluindo previsões ambientais simples baseadas em concentrações de nutrientes, sinais bioquímicos ligados ao stress de nutrientes e testes de limitação de crescimento utilizando alterações de biomassa após alteração de nutrientes9,10,11,12. Estas diferentes abordagens fornecem informações únicas desde a população até aos níveis comunitários que não são diretamente comparáveis9,13. Além disso, mesmo com programas coordenados e abordagens de maior rendimento10,12, todos estão, em última análise, restritos a documentar instantâneos no tempo e no espaço que são de utilidade limitada na investigação de mudanças temporais em grande escala. Foram feitas tentativas de dimensionar as propriedades de fluorescência do fitoplâncton relacionadas aos nutrientes para o sensoriamento remoto global14,15,16, o que ofereceria vantagens incomparáveis ​​na disponibilidade de dados espaciais e temporais, mas uma série de incertezas restringiu o uso15,17,18,19,20, 21. Aqui, enfrentamos esses desafios para o Pacífico tropical, construindo um conjunto de dados observacionais de limitação de nutrientes, abrangendo escalas fisiológicas até escalas comunitárias. Além disso, ao conectar mecanicamente estes sinais ecofisiológicos com medições coincidentes de quantidades radiométricas, ligamos diretamente a limitação de nutrientes às observações de satélite, para avaliar a variabilidade em larga escala na limitação de nutrientes e restringir os modelos oceânicos.

As observações de campo foram conduzidas ao longo de um transecto de aproximadamente 5.000 km de extensão através do Oceano Pacífico tropical (Fig. 1 e Dados Estendidos Fig. 1). Experimentos de bioensaio de adição de nutrientes e proteínas biomarcadoras de estresse nutricional revelaram uma tendência consistente de limitação de ferro (Fe) para nitrogênio (N), que correspondia ao gradiente de nitrato predominante (Fig. 1a-d). Especificamente, onde as concentrações de nitrato foram elevadas (Fig. 1a, b), a alteração de Fe estimulou aumentos de biomassa de clorofila a (locais 2 e 3; análise de variância unidirecional (ANOVA) α = 0,05, teste de diferença honestamente significativa de Tukey). Por outro lado, onde o nitrato era baixo nos locais 4 e 5, o suprimento de N estimulou a pequena biomassa de clorofila a aumenta (Fig. 1c e Dados Estendidos Fig. 2), e as abundâncias in situ de várias proteínas refletindo o estresse de N (cassete de ligação de ATP de ureia transportadores, a proteína de transdução de sinal P-II, o regulador N global NtcA e aminotransferase)22 para Proclorococo - um importante contribuidor para a biomassa fitoplanctônica (Extended Data Figs. 3 e 4) - todos aumentaram (Fig. 1d e Tabelas Suplementares 1– 3). Nos experimentos de bioensaio, uma série de pigmentos diagnósticos responderam de forma semelhante à clorofila a, sugerindo que a maior parte da comunidade fitoplanctônica experimentou o mesmo regime de limitação de nutrientes (Fig. 1e). Um nível de co-estresse de N-Fe também foi identificado nos locais predominantemente limitados por N 4 e 5, onde o biomarcador de estresse de Fe flavodoxina foi detectado, o fornecimento de N + Fe aumentou ainda mais o acúmulo de biomassa de pigmento fitoplanctônico em comparação ao N sozinho (Figs. 1c, e e Dados Estendidos Fig. 2), e o acúmulo líquido de células Prochlorococcus e aumentos na clorofila a por célula foram maiores após o tratamento com N + Fe nos locais 4 e 5 (Fig. 1f e Dados Estendidos Fig. 5).