Le immagini satellitari delle fioriture di fitoplancton sulla superficie dell'oceano spesso abbagliano con i loro diversi colori, sfumature e forme. Ma il fitoplancton è più che semplici acquerelli della natura:svolgono un ruolo chiave nel clima terrestre rimuovendo l'anidride carbonica che intrappola il calore dall'atmosfera attraverso la fotosintesi.

Eppure un resoconto dettagliato di ciò che diventa di quel carbonio - quanto di esso va dove all'interno della Terra e per quanto tempo - ha assillato gli scienziati per decenni. Quindi, mentre i satelliti di osservazione della Terra della NASA possono rilevare la proliferazione e la posizione di questi organismi, le precise implicazioni dei loro cicli di vita e morte sul clima sono ancora sconosciute.

Per rispondere a queste domande, questa settimana un grande team multidisciplinare di scienziati sta navigando a 200 miglia a ovest da Seattle nell'Oceano Pacifico nord-orientale con robotica sottomarina avanzata e altri strumenti in una campagna di un mese per indagare sulle vite segrete di questi organismi simili a piante e degli animali che li mangiano.

La NASA e la National Science Foundation stanno finanziando la campagna oceanografica Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS). Con più di 100 scienziati e membri dell'equipaggio di quasi 30 istituti di ricerca, EXPORTS è la prima campagna scientifica multidisciplinare coordinata del suo genere per studiare i percorsi, destini e impatti del ciclo del carbonio del plancton microscopico e di altro tipo utilizzando due navi di ricerca, una gamma di piattaforme robotiche subacquee e immagini satellitari. Il team lavorerà dalle navi di ricerca (R/V) Roger Revelle e Sally Ride, gestito dalla Scripps Institution of Oceanography, Università della California, San Diego.

"La continua esplorazione dell'oceano, i suoi ecosistemi e i loro controlli sul ciclo del carbonio osservati con le tecnologie avanzate di EXPORTS forniranno viste senza precedenti del mondo invisibile della Terra, "ha detto Paola Bontempi, scienziato del programma EXPORTS presso la sede della NASA, Washington. "Le domande scientifiche che il team sta affrontando spingono davvero la frontiera di ciò che la NASA può fare nella ricerca oceanica ottica sia remota che in situ. L'obiettivo della NASA è quello di collegare i processi biologici e biogeochimici dell'oceano alle informazioni provenienti dalle missioni satellitari pianificate di osservazione dell'oceano, estrapolando così i risultati di questa missione su scala globale".

La sfida che EXPORTS affronta richiede un team di esperti estremamente multidisciplinare. "Sono sbalordito dal fatto che siamo stati in grado di riunire una squadra di veri leader nei loro campi individuali con l'unico obiettivo di comprendere le interazioni tra la vita nel mare e il ciclo del carbonio dell'oceano, " ha detto David Siegel, professore di scienze marine presso l'Università della California, Santa Barbara, ed ESPORTAZIONI scienza piombo. "Il team ha una diversità di competenze senza precedenti, compresi i fisici, ecologisti, geochimici, modellatori numerici, e genomica, robotica e scienziati del telerilevamento".

La parola "fitoplancton" deriva dal greco per "piante sbandate"; il fitoplancton sfrutta l'energia del Sole per trasformare il carbonio inorganico disciolto nell'oceano in carbonio organico, creando carboidrati e materiale cellulare per il nutrimento e la riproduzione, e il loro movimento è in gran parte dettato dalla fisica dell'oceano, comprese le correnti. Questi organismi sono microscopici, per lo più unicellulari, e moltiplicare esponenzialmente, raddoppiando il loro numero in media ogni giorno.

La loro abbondanza e l'elevata produttività rendono il fitoplancton una fonte di cibo ideale per i piccoli animali chiamati zooplancton, che in greco significa "animali alla deriva". "Se hai un milione di fitoplancton e zooplancton ne mangi 500, 000 di loro, il fitoplancton può tornare rapidamente a un milione in un giorno, "ha detto Tatiana Rynearson, un oceanografo della Graduate School of Oceanography dell'Università del Rhode Island e membro del team EXPORTS. "Il fitoplancton fornisce energia all'intero ecosistema perché è in grado di ricostituire rapidamente le proprie popolazioni".

Come il fitoplancton, zooplancton sono diverse nelle specie. Alcuni sono unicellulari e microscopici (microzooplancton), mentre altri, come il krill e la medusa simili a gamberetti, sono chiaramente visibili ad occhio nudo. Varie specie vivono vicino alla superficie dell'oceano per tutta la vita, mentre altri trascorrono le loro giornate nella zona crepuscolare da 200 metri a 1000 metri (da 650 piedi a 3300 piedi) al di sotto, dove c'è poca o nessuna luce solare. Ma di notte alcune specie di zooplancton, come i copepodi, che sono piccoli crostacei, effettuare una migrazione di massa verso la superficie, il più grande viaggio del genere per numero di organismi sulla Terra, per nutrirsi di fitoplancton e microzooplancton, e poi ritirarsi negli abissi all'alba.

Più in alto nella catena alimentare, una varietà di animali più grandi, come il pesce, compreso il gigante del mare, lo squalo balena e i misticeti come la balenottera azzurra, l'animale più grande della Terra, si nutrono di zooplancton, incorporando quel carbonio organico nei loro corpi.

Gran parte del carbonio organico consumato dal fitoplancton, lo zooplancton e i predatori marini più grandi ritornano nell'atmosfera in tempi brevi. Questo accade quando si decompongono e attraverso la respirazione lungo questa catena alimentare, dagli animali più grandi e dallo zooplancton ai batteri che si nutrono delle feci e dei corpi in decomposizione di questi animali. Ma parte della materia organica delle feci e dei corpi decomposti sprofonda nella zona crepuscolare e viene sequestrata in tempi più lunghi.

"È una piccola frazione, una frazione di una percentuale di biomassa che lo rende più profondo nell'oceano dove l'acqua rimane lontana dall'atmosfera per lungo tempo, da decenni a migliaia di anni, "ha detto Heidi Sosik, uno scienziato senior presso la Woods Hole Oceanographic Institution e membro del team EXPORTS. "Abbiamo informazioni abbastanza buone che ci dicono che questi processi stanno accadendo, ma abbiamo molte meno informazioni per aiutarci a valutare quantitativamente il loro impatto su cose come il ciclo del carbonio e, in definitiva, Il clima terrestre".

Uno degli obiettivi della campagna è migliorare la comprensione del plancton attraverso la genetica. Rynearson e altri saranno coinvolti nell'identificazione di varie specie di fitoplancton e zooplancton in base al loro DNA e nel determinare quali specie si trovano in superficie, che stanno affondando, e che vivono nell'oceano profondo. Lo studio del loro corredo genetico fornirà approfondimenti sul loro metabolismo, che saranno analizzati insieme a misurazioni in situ della fotosintesi e della respirazione.

"Essenzialmente, stiamo cercando di distinguere chi c'è e cosa stanno facendo e quanto carbonio sta attraversando queste diverse specie, " ha detto Rynearson. I dati genetici saranno collegati a misurazioni ottiche, condotto come parte del lavoro in situ, per aiutare a costruire proxy ottici dell'ecosistema oceanico critico e delle proprietà biogeochimiche. Una volta creati questi proxy oceanici ottici, gli scienziati definiranno e perfezioneranno ulteriormente gli approcci per misurare a distanza le variabili dell'ecosistema oceanico, collegando infine i processi di esportazione del carbonio alle misurazioni satellitari.

Deborah Steinberg, un professore di scienze marine presso il Virginia Institute of Marine Science, è co-capo scienziato della R/V Revelle e sta studiando le popolazioni di zooplancton. Usando una maglia fine, rete di plancton controllata elettronicamente, Steinberg e il suo team campioneranno l'acqua a diverse profondità, dalla superficie a 1, 000 metri (3, 200 piedi). Conteranno l'abbondanza di varie popolazioni di zooplancton alle diverse profondità e riporteranno campioni sulla nave per osservare quante feci producono. Le sonde sulla nave misureranno anche la quantità di ossigeno che stanno usando. "Questo ci darà una buona idea del loro metabolismo e di quanto ogni specie stia riciclando o esportando la materia organica che sta mangiando, " lei disse.

Nel frattempo, Sosik e il suo team saranno tra i membri del team EXPORTS che esamineranno l'impatto delle specie di fitoplancton sulle proprietà ottiche della superficie dell'oceano - come assorbono e diffondono la luce solare - che è fondamentale per discernere i segnali che i satelliti recuperano dallo spazio. "Combinato con i dati delle ESPORTAZIONI e di altre campagne marittime in situ che alimentano i modelli, " lei disse, "I dati satellitari ci aiuteranno a fare inferenze più sofisticate e raffinate su ciò che potrebbe accadere più in profondità nell'oceano e quali potrebbero essere gli impatti sul ciclo del carbonio".