Соотношение Редфилда: стехиометрия углерода, азота и фосфора в океане.

Введение

Отношение Редфилда, или стехиометрия Редфилда, – это постоянное атомное соотношение углерода, азота и фосфора, встречающееся в морском фитопланктоне и во всей глубине океана. Этот термин назван в честь американского океанографа Альфреда К. Редфилда, который в 1934 году впервые описал относительно стабильное соотношение питательных веществ в образцах морской биомассы, собранных в ходе нескольких экспедиций на борту исследовательского судна «Атлантис», и эмпирически установил соотношение C:N:P = 106:16:1. Несмотря на то, что в зависимости от вида фитопланктона и района исследования были обнаружены отклонения от канонического соотношения 106:16:1, отношение Редфилда остаётся важным ориентиром для океанографов, изучающих лимитирующие факторы питания. В статье 2014 года, обобщающей большой набор данных измерений питательных веществ по всем основным океаническим регионам за период с 1970 по 2010 год, сообщается о глобальной медианной величине C:N:P, равной 163:22:1.

Открытие

В 1934 году Альфред Редфилд проанализировал данные о нитратах и фосфатах для Атлантического, Индийского, Тихого океанов и Баренцева моря. Учитывая, что в то время было мало что известно о составе "протоплазмы", или об общем составе фитопланктона, Редфилд не пытался объяснить, почему соотношение N:P должно составлять приблизительно 16:1. В 1958 году, почти через четверть века после первоначального обнаружения этих соотношений, Редфилд в своей рукописи "Биологический контроль химических факторов в окружающей среде" склонился к последнему механизму. Редфилд предположил, что соотношение азота и фосфора в планктоне обуславливает удивительно схожее соотношение растворенного нитрата и фосфата (16:1) в мировом океане. Он рассматривал, как циклы не только азота и фосфора, но и углерода и кислорода могут взаимодействовать, чтобы обеспечить такое соответствие.

Пояснение

Редфилд обнаружил замечательное соответствие между химией глубоководья океана и химией живых организмов, таких как фитопланктон в поверхностных водах. У обоих соотношение N:P составляет около 16:1 в пересчете на атомы. Когда питательные вещества не являются лимитирующим фактором, молярное элементное соотношение C:N:P у большинства фитопланктона составляет 106:16:1. Редфилд полагал, что неслучайно огромные океаны обладают химией, идеально соответствующей потребностям живых организмов. Лабораторные эксперименты в контролируемых химических условиях показали, что биомасса фитопланктона соответствует соотношению Редфилда, даже когда концентрация питательных веществ в окружающей среде превышает это значение, что указывает на то, что экологическая адаптация к океаническим соотношениям питательных веществ – не единственный определяющий механизм (в отличие от одного из механизмов, первоначально предложенных Редфилдом). Однако последующее моделирование механизмов обратной связи, в частности потоков, связывающих нитраты и фосфор, подтверждает его предложенный механизм биотического равновесия обратной связи, хотя эти результаты осложнены ограничениями в нашем текущем понимании потоков питательных веществ. В океане большая часть биомассы представлена азотсодержащим планктоном. Многие из этих планктонных организмов потребляются другой планктонной биомассой с аналогичным химическим составом. Это приводит к схожему соотношению N:P, в среднем, для всего планктона в мировом океане, которое эмпирически установлено в среднем на уровне приблизительно 16:1. Когда эти организмы опускаются вглубь океана, их биомассу потребляют бактерии, которые в аэробных условиях окисляют органическое вещество с образованием растворенных неорганических питательных веществ, в основном углекислого газа, нитратов и фосфатов. Вероятно, высокая схожесть соотношения нитратов к фосфатам в глубинах всех основных океанических бассейнов обусловлена временем пребывания этих элементов в океане по отношению ко времени циркуляции океана – примерно 100 000 лет для фосфора и 2000 лет для азота. Тот факт, что время пребывания этих элементов превышает время перемешивания океана (~ 1000 лет), может приводить к относительно постоянному соотношению нитратов к фосфатам в глубинных водах океана. Показано, что фитопланктон играет ключевую роль в поддержании этого соотношения. По мере опускания органического вещества в океан высвобождаются нитраты и фосфаты в результате реминерализации. Микроорганизмы предпочитают потреблять кислород, связанный с нитратами, а не с фосфатами, что приводит к более низкому соотношению N:P (менее 16:1) в глубоких океанических водах. Затем океанические течения поднимают эти питательные вещества к поверхности, где фитопланктон потребляет избыток фосфора и поддерживает соотношение N:P равным 16:1, используя фиксацию азота для потребления N2. Хотя подобные аргументы потенциально могут объяснить, почему соотношения относительно постоянны, они не отвечают на вопрос, почему соотношение N:P близко к 16, а не к какому-либо другому значению.

Redfield discovered the remarkable congruence between the chemistry of the deep ocean and the chemistry of living things such as phytoplankton in the surface ocean. Both have N:P ratios of about 16:1 in terms of atoms. When nutrients are not limiting, the molar elemental ratio C:N:P in most phytoplankton is 106:16:1. Redfield thought it wasn't purely coincidental that the vast oceans would have a chemistry perfectly suited to the requirements of living organisms. Laboratory experiments under controlled chemical conditions have found that phytoplankton biomass will conform to the Redfield ratio even when environmental nutrient levels exceed them, suggesting that ecological adaptation to oceanic nutrient ratios is not the only governing mechanism (contrary to one of the mechanisms initially proposed by Redfield). However, subsequent modeling of feedback mechanisms, specifically nitrate phosphorus coupling fluxes, do support his proposed mechanism of biotic feedback equilibrium, though these results are confounded by limitations in our current understanding of nutrient fluxes. In the ocean, a large portion of the biomass is found to be nitrogen rich plankton. Many of these plankton are consumed by other plankton biomass which have similar chemical compositions. This results in a similar N:P ratio, on average, for all the plankton throughout the world’s oceans, empirically found to average approximately 16:1. When these organisms sink into the ocean interior, their biomass is consumed by bacteria that, in aerobic conditions, oxidize the organic matter to form dissolved inorganic nutrients, mainly carbon dioxide, nitrate, and phosphate. That the nitrate to phosphate ratio in the interior of all of the major ocean basins is highly similar is possibly due to the residence times of these elements in the ocean relative to the ocean's circulation time, roughly 100 000 years for phosphorus and 2000 years for nitrogen. The fact that the residence times of these elements are greater than the mixing times of the oceans (~ 1000 years) can result in the ratio of nitrate to phosphate in the ocean interior remaining fairly uniform. It has been shown that phytoplankton play a key role in helping maintain this ratio. As organic matter sinks both nitrate and phosphate are released into the ocean via remineralization. Microorganisms preferentially consume oxygen in nitrate over phosphate leading to deeper oceanic waters having an N:P ratio of less than 16:1. From there, the ocean's currents upwell the nutrients to the surface where phytoplankton will consume the excess Phosphorus and maintain a N:P ratio of 16:1 by consuming N2 via nitrogen fixation. While such arguments can potentially explain why the ratios are fairly constant, they do not address the question why the N:P ratio is nearly 16 and not some other number.

Применение

Исследования, приведшие к этому соотношению, стали фундаментальным элементом в понимании биогеохимических циклов океанов и одним из ключевых принципов биогеохимии. Соотношение Редфилда играет важную роль в оценке потоков углерода и питательных веществ в глобальных моделях циркуляции. Оно также помогает определить, какие питательные вещества являются лимитирующими в локальной системе, если таковые имеются. Это соотношение можно использовать для понимания формирования цветения фитопланктона и последующей гипоксии, сравнивая его в разных регионах, например, соотношение Редфилда в реке Миссисипи и в северной части Мексиканского залива. Контроль соотношения N:P может быть способом устойчивого управления водными ресурсами. Возможно, соотношение Редфилда применимо и к наземным растениям, почвам и биомассе почвенных микроорганизмов, что позволит оценить лимитирующие ресурсы в наземных экосистемах. В исследовании 2007 года было установлено, что в среднем в глобальном масштабе соотношение C:N:P в почве составляет 186:13:1, а в микробной биомассе – 60:7:1. Однако также утверждается, что оно связано с гомеостатическим соотношением белка к рРНК, фундаментально присутствующим как у прокариот, так и у эукариот, что способствует его распространенности. Существует несколько возможных объяснений наблюдаемой изменчивости соотношений C:N:P. Скорость роста клетки влияет на ее состав и, следовательно, на ее стехиометрию. Кроме того, при недостатке фосфора сообщества фитопланктона могут снижать содержание фосфора, увеличивая соотношение N:P. Накопление и количество мертвых фитопланктона и детрита также могут влиять на доступность определенных источников пищи, что, в свою очередь, влияет на состав клеток. В некоторых экосистемах соотношение Редфилда также может значительно варьироваться в зависимости от доминирующих таксонов фитопланктона, присутствующих в экосистеме, даже в системах с достаточным количеством питательных веществ. Следовательно, специфичное для системы соотношение Редфилда может служить индикатором структуры планктонного сообщества. Несмотря на сообщения о том, что элементарный состав организмов, таких как морской фитопланктон в океанических регионах, не всегда соответствует каноническому соотношению Редфилда, фундаментальная концепция этого соотношения остается обоснованной и полезной.

The research that resulted in this ratio has become a fundamental feature in the understanding of the biogeochemical cycles of the oceans, and one of the key tenets of biogeochemistry. The Redfield ratio is instrumental in estimating carbon and nutrient fluxes in global circulation models. They also help in determining which nutrients are limiting in a localized system, if there is a limiting nutrient. The ratio can also be used to understand the formation of phytoplankton blooms and subsequently hypoxia by comparing the ratio between different regions, such as a comparison of the Redfield Ratio of the Mississippi River to the ratio of the northern Gulf of Mexico. Controlling N:P could be a means for sustainable reservoir management. It may even be the case that the Redfield Ratio is applicable to terrestrial plants, soils, and soil microbial biomass, which would inform about limiting resources in terrestrial ecosystems. In a study from 2007, soil and microbial biomass were found to have a consistent C:N:P ratios of 186:13:1 and 60:7:1, respectively on average at a global scale. though it has also been argued that it is related to a homeostatic protein to rRNA ratio fundamentally present in both prokaryotes and eukaryotes, which contributes to it being the most common composition. There are several possible explanations for the observed variability in C:N:P ratios. The speed at which the cell grows has an influence on cell composition and thereby its stoichiometry. Also, when phosphorus is scarce, phytoplankton communities can lower their P content, raising the N:P. Additionally, the accumulation and quantity of dead phytoplankton and detritus can affect the availability of certain food sources which in turn affects the composition of the cell. In some ecosystems, the Redfield ratio has also been shown to vary significantly by the dominant phytoplankton taxa present in an ecosystem, even in systems with abundant nutrients. Consequently, the system specific Redfield ratio could serve as a proxy for plankton community structure. Despite reports that the elemental composition of organisms such as marine phytoplankton in an oceanic region do not conform to the canonical Redfield ratio, the fundamental concept of this ratio remains valid and useful.

Расширенное соотношение Редфилда

Некоторые считают, что в океанической химии также важны другие элементы, такие как калий, сера, цинк, медь и железо. В частности, железо (Fe) рассматривалось как крайне важное уже в ранних работах биологических океанографов, которые предположили, что железо может быть лимитирующим фактором первичной продуктивности океана. Последующие эксперименты подтвердили, что железо действительно является лимитирующим фактором первичной продуктивности. Добавление раствора, обогащенного железом, на площадь в 64 км² привело к увеличению первичной продуктивности фитопланктона. В результате было разработано расширенное соотношение Редфилда, включающее железо в этот баланс. Это новое стехиометрическое соотношение определяет пропорцию как 106 C:16 N:1 P:0.1–0.001 Fe. Значительная вариабельность содержания Fe обусловлена трудностями, связанными с загрязнением образцов, собранных в море, железом из кораблей и научного оборудования. Именно это загрязнение привело к ранним данным, указывающим на высокие концентрации железа и отсутствие его лимитирующего влияния на первичную продуктивность в океане. Диатомовым водорослям, помимо других питательных веществ, необходима кремниевая кислота для образования биогенного кремнезема, входящего в состав их фрустул (клеточных стенок). В связи с этим для диатомовых водорослей было предложено соотношение питательных веществ Редфилда-Бжезинского: C:Si:N:P = 106:15:16:1. Помимо самой первичной продуктивности, было показано, что кислород, потребляемый при аэробном дыхании биомассы фитопланктона, также подчиняется предсказуемой пропорции по отношению к другим элементам. Соотношение O2:C было измерено как 138:106.