Как круговорот фосфора связан с глобальным потеплением
Встряхните снежный шар, и ясное небо превратится в метель в вашей руке. Земля представляет собой аналогичную закрытую систему, где химические реакции, происходящие в почве, влияют на химические реакции, происходящие в небе и морях. Химия — это судьба.
Передовые технологии и методы помогают ученым по-новому взглянуть на один из самых распространенных элементов на Земле — фосфор — чтобы лучше понять, как он циркулирует в почве, море и живых организмах. Фосфор является важным питательным веществом для всех организмов, включая растения, которые посредством фотосинтеза удаляют из атмосферы углекислый газ — парниковый газ, наиболее ответственный за глобальное потепление, — и связывают его в органические вещества. Фосфор также играет ключевую роль в круговоротах таких биологически важных элементов, как азот, кислород и сера. Из-за аналитических ограничений до недавнего времени мало что было известно о круговороте фосфора.
«Мы находимся на этапе, когда мы можем сделать еще один скачок в нашем понимании круговорота фосфатов благодаря наличию новых технологий и новых методов, которые можно применять к природным системам», — говорит Адина Пайтан, доцент кафедры геологии Стэнфордского университета. и наук об окружающей среде. 15 декабря Пайтан ведет специальную сессию со стэнфордским докторантом Барбарой Кейд-Менун на собрании Американского геофизического союза (AGU) в Сан-Франциско в этом году, международного научного общества, насчитывающего более 35 000 членов, посвятившего себя продвижению понимания Земли и ее Окружающая среда.
Новые технологии и методы позволяют ученым характеризовать соединения фосфора в воде и почве, оценивать скорость круговорота фосфатов в природных резервуарах, оценивать долгосрочное захоронение фосфора в океанах в течение геологического времени, точно определять источники фосфора в различных экосистемах, определять колебания концентрации фосфатов. в определенное время и в определенных местах, а также изучить последствия загрязнения фосфором рек и озер.
В последние годы заседания AGU, традиционно посвященные геологии и геофизике, все чаще включают темы, связанные с биологией. Однако в этом году встреча стала первой, на которой «биогеонауки» стали официальным заголовком. Новый заголовок описывает междисциплинарную область, которая рассматривает систему Земли как единое целое и пытается понять связи и взаимодействия между атмосферой (воздух), гидросферой (вода), биосферой (жизнь) и литосферой (горная порода). Он также пытается оценить воздействие человека на систему.
Фосфор имеет решающее значение для жизни как строительный блок нуклеиновых кислот, белков и липидов. Он является компонентом аденозинтрифосфата (АТФ) и никотинамид аденозиндинуклеотидфосфата (НАДФ), молекул, которые передают энергию в живых системах. В процессе фотосинтеза растения используют АТФ и НАДФ, чтобы использовать солнечную энергию для преобразования атмосферного углекислого газа и воды в сахар и кислород.В результате фотосинтеза такие крошечные, как водоросли, и такие могучие, как секвойи, организмы становятся частью глобального «поглотителя», поглощающего избыток углекислого газа. В экосистемах, относительно незатронутых деятельностью человека, рост растений может ограничиваться наличием фосфора и/или азота.
Большая часть фосфора находится в горных породах, где он связан с минералами. В этих минералах он обычно существует в виде фосфата — это один атом фосфора, связанный с четырьмя атомами кислорода. Выветривание высвобождает фосфор в почву, где он используется и перерабатывается растениями и бактериями. Фосфор в конечном итоге перемещается через реки в океаны и в морские отложения.
Элемент «пир или голод», фосфор неравномерно распределен по Земле: слишком много в почвах Северной Америки и Европы и некоторых прибрежных эстуариях и недостаточно в почвах тропиков, Африки к югу от Сахары, Южной Америки и в открытом океане. .
Хотя фосфор необходим, слишком много хорошего может быть плохим. Избыток фосфатов, получаемых из удобрений, моющих средств и других антропогенных источников, попадает в озера и прибрежные воды в результате стока, выщелачивания или эрозии, вызывая массовое цветение водорослей, которое может повлиять на вкус и прозрачность питьевой воды. Более того, когда водоросли погибают, толстые подушечки опускаются на дно и окисляются, уменьшая содержание растворенного кислорода и создавая неблагоприятную для рыб среду.
Слишком мало фосфора также является проблемой. В старых выветренных почвах и в океанских экосистемах растениям достаточно нитратов (еще одного питательного вещества, дефицит которого ограничивает рост), но недостаточно фосфора. Уборка урожая может привести к истощению запасов фосфора в сельскохозяйственных угодьях, а старые выветренные почвы прочно удерживают фосфор, снижая его доступность для растений. Большинство фосфорных удобрений получают из каменного фосфата — невозобновляемого ресурса.«Органические удобрения могли бы заменить этот источник, но нам нужно знать доступные формы фосфора и то, как быстро они превращаются», — говорит Кейд-Менун, изучающая фосфор в процессе его круговорота в почве.
Каде-Менун изучает круговорот фосфора в лесах умеренного пояса, включая теплые сухие леса Сьерра-Невады и прохладные влажные тропические леса северо-запада Тихого океана. В дополнение к традиционным аналитическим методам она использует спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для определения видов и количества соединений фосфора, распространенных в лесах. Она также сотрудничает с Paytan, чтобы адаптировать методы для почв к пробам океанских отложений, чтобы отслеживать, какие соединения разлагаются первыми, высвобождая свой фосфор обратно в воду и делая его доступным для организмов.
«В отличие от азота, мало что известно о роли конкретных организмов в круговороте фосфора в почве», — говорит Каде-Менун. «Я думаю, было бы интересно связать формы фосфора, обнаруженные с помощью ЯМР-спектроскопии, с почвенными организмами, которые их производят, и связать производство специфических ферментов с преобразованием этих форм фосфора».
Каде-Менун также интересуется влиянием методов землепользования в лесном хозяйстве, таких как сплошные рубки и подсечно-огневое сжигание, на динамику питательных веществ в почве: «Моя докторская работа в прибрежных лесах Британской Колумбии показала, что во время подсечно-огневого сжигания , как сильный минерализующий агент, преобразовал большую часть почвенного фосфора из органической формы в неорганическую. общие концентрации фосфора. Но в более засушливых экосистемах, таких как Сьерра-Невада, где регулярно случаются пожары, это может быть важным средством, с помощью которого фосфор высвобождается обратно в доступные для растений формы».
В то время как Каде-Менун изучает наземные системы, Пэйтан, морской биогеохимик, исследует тесное взаимодействие между твердой Землей и океанами посредством биогеохимических циклов, влияющих на глобальную окружающую среду и климат.
Ее работа, финансируемая Национальным научным фондом, сосредоточена на круговороте фосфора как в настоящем, так и в прошлом. Чтобы изучить езду на велосипеде в современных океанах, она садится на исследовательские суда в разные сезоны и собирает пробы воды из разных регионов и глубин океана. Она также берет пробы воды у профессора Роба Данбара (геологические науки и науки об окружающей среде) и доцента Кевина Арриго (геофизика), коллег по новой программе Стэнфорда по наукам об океане.
Изучение фосфатных циклов прошлого может дать ценные сведения о будущем. Чтобы узнать, как фосфор циркулировал в океанах миллионы лет назад, Пейтан садится на исследовательские суда вместе с учеными Исследовательского института аквариума Монтерей-Бей, чтобы собрать образцы фосфатов, сохранившихся в морских отложениях. Она также получает образцы из основного хранилища Программы океанского бурения, международной программы, частично финансируемой Национальным научным фондом. Ученый с докторской степенью Кристина Фол присоединится к лаборатории Пейтана весной для продолжения этих исследований.
«По химическому составу морских отложений можно многое сказать о химическом составе морской воды, о том, где выпадали в осадок вещества, о биологии, о циркуляции», — говорит Пайтан. «Вся информация об океанах прошлого в основном извлекается из отложений. Если вы смотрите на более короткие временные масштабы, конечно, у вас есть другие архивы, такие как кораллы, годичные кольца, ледяные ядра, пещерные и озерные отложения. шкалы времени вы должны перейти к морским отложениям».
Читая химические признаки отложений, Пайтан пытается сопоставить захоронение фосфатов в древнем океане с уровнями углекислого газа в древней атмосфере.Например, она хотела бы знать, привело ли выветривание Гималаев, которое потенциально привело к перемещению большого количества фосфатов с континентов в океаны, к увеличению фотосинтеза и помогло ли это, в свою очередь, снизить уровень углекислого газа в атмосфера. Понимая последствия естественных колебаний в древнем круговороте фосфора, Пайтан надеется понять, как подобные колебания сегодня могут повлиять на современный климат.
Вместе с аспиранткой Стэнфордского университета Карен Маклафлин и исследователями Кэрол Кендалл и Стивом Сильвой из Геологической службы США в Менло-Парке, Калифорния, Пайтан анализирует фосфаты с использованием передовых методов, включая анализ изотопов кислорода. Изотопы — это атомы химического элемента с одинаковым атомным номером и почти одинаковым химическим поведением, но с разной атомной массой. Кислород имеет несколько встречающихся в природе стабильных изотопов — 16 О, 17 О и 18 О. Из-за различий в массе отдельные изотопы кислорода в фосфатах имеют тенденцию участвовать с разной скоростью в биохимических реакциях, что приводит к изотопному фракционированию (распределению изотопы между реагентами и продуктами).
Связь фосфор-кислород настолько прочна, что устойчива к разрыву в диапазоне температур поверхности Земли. Но когда фосфорсодержащее соединение оказывается в биологической среде, например в клетке, ферменты легко опосредуют разрыв этой связи, и изотопы кислорода в фосфате обмениваются с кислородом в окружающей воде. Этот обмен зависит от температуры. Это означает, что ученые могут наблюдать за изменениями в соотношении изотопов кислорода и получать информацию о круговороте фосфатов и температуре воды, в которой жили древние морские организмы. С точки зрения соотношения изотопов организмы — это не то, что они едят, а то, что они пьют, а также температура их питья.
В конце концов, Пэйтан и Dr.Кен Калдейра из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса хотел бы использовать лабораторные и полевые данные для построения модели, описывающей круговорот фосфора в океане. И когда-нибудь ученые, изучающие морскую циркуляцию фосфора, могут сотрудничать с теми, кто изучает земную циркуляцию, чтобы создать «общую картину» планетарного круговорота фосфора и даже связанных элементов, таких как углерод и азот.
Эта сессия AGU знаменует собой первую официальную встречу между морскими и наземными учеными, изучающими фосфор. Но этот маленький шаг может привести к гигантским скачкам в понимании, которые формируют государственную политику в различных областях, от лесного хозяйства до глобального потепления.
Лучшее научное понимание сложных химических циклов Земли не могло прийти слишком рано. Учтите, что 25 ноября 2000 г. прервались переговоры между официальными лицами, пытавшимися внести последние штрихи в Киотский протокол, соглашение 1997 г., разработанное более чем 170 странами для сокращения выбросов парниковых газов. Основная причина: постоянные разногласия по поводу роли деревьев и обрабатываемых сельскохозяйственных угодий как «поглотителей» углекислого газа.
© Стэнфордский университет. Все права защищены. Стэнфорд, Калифорния 94305. (650) 723-2300. Условия использования | Жалобы на нарушение авторских прав
