Storicamente, gli oceani hanno svolto gran parte del lavoro pesante del pianeta quando si tratta di sequestrare l'anidride carbonica dall'atmosfera. Organismi microscopici noti collettivamente come fitoplancton, che crescono negli oceani di superficie illuminati dal sole e assorbono l'anidride carbonica attraverso la fotosintesi, sono un giocatore chiave.

Per aiutare ad arginare le crescenti emissioni di anidride carbonica prodotte dalla combustione di combustibili fossili, alcuni scienziati hanno proposto di inseminare gli oceani con il ferro, un ingrediente essenziale che può stimolare la crescita del fitoplancton. Tale "fertilizzazione del ferro" coltiverebbe vasti nuovi campi di fitoplancton, in particolare nelle aree normalmente prive di vita marina.

Un nuovo studio del MIT suggerisce che la fertilizzazione con ferro potrebbe non avere un impatto significativo sulla crescita del fitoplancton, almeno su scala mondiale.

I ricercatori hanno studiato le interazioni tra fitoplancton, ferro da stiro, e altri nutrienti nell'oceano che aiutano la crescita del fitoplancton. Le loro simulazioni suggeriscono che su scala globale, la vita marina ha sintonizzato la chimica dell'oceano attraverso queste interazioni, evolvendo per mantenere un livello di ferro oceanico che supporti un delicato equilibrio di nutrienti in varie regioni del mondo.

"Secondo il nostro quadro, la fertilizzazione con ferro non può avere un effetto complessivo significativo sulla quantità di carbonio nell'oceano perché la quantità totale di ferro di cui i microbi hanno bisogno è già giusta, '' dice l'autore principale Jonathan Lauderdale, uno scienziato ricercatore nel Dipartimento della Terra del MIT, Scienze dell'atmosfera e planetarie.

I coautori del documento sono Rogier Braakman, Gael Dimentica, Stephanie Dutkiewicz, e Mick segue al MIT.

Zuppa di ligando

Il ferro da cui dipende la crescita del fitoplancton proviene in gran parte dalla polvere che spazza i continenti e alla fine si deposita nelle acque oceaniche. Mentre in questo modo si possono depositare enormi quantità di ferro, la maggior parte di questo ferro affonda rapidamente, inutilizzato, al fondo del mare.

"Il problema fondamentale è i microbi marini hanno bisogno di ferro per crescere, ma il ferro non sta in giro. La sua concentrazione nell'oceano è così minuscola che è una risorsa preziosa, "dice Lauderdale.

Quindi, gli scienziati hanno proposto la fertilizzazione con ferro come un modo per introdurre più ferro nel sistema. Ma la disponibilità di ferro per il fitoplancton è molto più elevata se è legato a determinati composti organici che trattengono il ferro nell'oceano di superficie e sono essi stessi prodotti dal fitoplancton. Questi composti, noti come ligandi, costituiscono ciò che Lauderdale descrive come una "zuppa di ingredienti" che tipicamente provengono da prodotti di scarto organici, cellule morte, o siderofori, molecole che i microbi hanno evoluto per legarsi specificamente al ferro.

Non si sa molto su questi ligandi che intrappolano il ferro su scala ecosistemica, e il team si è chiesto quale ruolo svolgono le molecole nella regolazione della capacità dell'oceano di promuovere la crescita del fitoplancton e, infine, di assorbire l'anidride carbonica.

"La gente ha capito come i ligandi legano il ferro, ma non quali sono le proprietà emergenti di un tale sistema su scala globale, e cosa significa per la biosfera nel suo insieme, " dice Braakman. "Questo è quello che abbiamo cercato di modellare qui."

Punto debole di ferro

I ricercatori si sono proposti di caratterizzare le interazioni tra ferro, ligandi, e macronutrienti come azoto e fosfato, e come queste interazioni influenzano la popolazione globale di fitoplancton e, simultaneamente, capacità dell'oceano di immagazzinare anidride carbonica.

Il team ha sviluppato un semplice modello a tre scatole, con ogni casella che rappresenta un ambiente oceanico generale con un particolare equilibrio di ferro rispetto ai macronutrienti. La prima casella rappresenta acque remote come l'Oceano Australe, che in genere hanno una discreta concentrazione di macronutrienti che provengono dalle profondità dell'oceano. Hanno anche un basso contenuto di ferro data la loro grande distanza da qualsiasi fonte di polvere continentale.

Il secondo riquadro rappresenta il Nord Atlantico e altre acque che hanno un equilibrio opposto:ricche di ferro a causa della vicinanza a continenti polverosi, e povero di macronutrienti. La terza scatola è un sostituto per l'oceano profondo, che è una ricca fonte di macronutrienti, come fosfati e nitrati.

I ricercatori hanno simulato uno schema di circolazione generale tra i tre riquadri per rappresentare le correnti globali che collegano tutti gli oceani del mondo:la circolazione inizia nell'Atlantico settentrionale e si tuffa nell'oceano profondo, poi risale nell'Oceano Australe e ritorna nell'Atlantico settentrionale.

Il team ha fissato le concentrazioni relative di ferro e macronutrienti in ogni scatola, quindi ha eseguito il modello per vedere come si è evoluta la crescita del fitoplancton in ogni scatola su 10, 000 anni. Hanno corso 10, 000 simulazioni, ciascuno con diverse proprietà del legante.

Dalle loro simulazioni, i ricercatori hanno identificato un ciclo di feedback positivo cruciale tra i ligandi e il ferro. Gli oceani con concentrazioni più elevate di ligandi avevano anche maggiori concentrazioni di ferro disponibile per la crescita del fitoplancton e la produzione di più ligandi. Quando i microbi hanno ferro più che sufficiente per banchettare, consumano tanto degli altri nutrienti di cui hanno bisogno, come azoto e fosfato, fino a quando quei nutrienti non sono stati completamente esauriti.

È vero il contrario per gli oceani con basse concentrazioni di ligandi:questi hanno meno ferro disponibile per la crescita del fitoplancton, e quindi hanno pochissima attività biologica in generale, portando a un minor consumo di macronutrienti.

I ricercatori hanno anche osservato nelle loro simulazioni una gamma ristretta di concentrazioni di ligandi che ha portato a un punto debole, dove c'era la giusta quantità di ligando per rendere disponibile abbastanza ferro per la crescita del fitoplancton, lasciando anche la giusta quantità di macronutrienti rimasti per sostenere un intero nuovo ciclo di crescita in tutte e tre le scatole oceaniche.

Quando hanno confrontato le loro simulazioni con le misurazioni dei nutrienti, ferro da stiro, e le concentrazioni di ligandi prese nel mondo reale, hanno scoperto che la loro gamma di punti dolci simulati si è rivelata la corrispondenza più vicina. Questo è, gli oceani del mondo sembrano avere la giusta quantità di ligandi, e quindi ferro, disponibili per massimizzare la crescita del fitoplancton e consumare in modo ottimale i macronutrienti, in un equilibrio di risorse auto-rafforzante e autosostenibile.

Se gli scienziati dovessero fertilizzare ampiamente l'Oceano Antartico o qualsiasi altra acqua povera di ferro con ferro, lo sforzo stimolerebbe temporaneamente il fitoplancton a crescere e ad assorbire tutti i macronutrienti disponibili in quella regione. Ma alla fine non ci sarebbero più macronutrienti da circolare in altre regioni come il Nord Atlantico, che dipende da questi macronutrienti, insieme al ferro dai depositi di polvere, per la crescita del fitoplancton. Il risultato netto sarebbe un'eventuale diminuzione del fitoplancton nel Nord Atlantico e nessun aumento significativo del consumo di anidride carbonica a livello globale.

Lauderdale sottolinea che potrebbero esserci anche altri effetti indesiderati nel fertilizzare l'Oceano Antartico con il ferro.

"Dobbiamo considerare l'intero oceano come questo sistema interconnesso, "dice Lauderdale, il quale aggiunge che se il fitoplancton nel Nord Atlantico dovesse precipitare, così anche tutta la vita marina sulla catena alimentare che dipende dagli organismi microscopici.

"Qualcosa come il 75% della produzione a nord dell'Oceano Antartico è alimentato da nutrienti provenienti dall'Oceano Antartico, e gli oceani settentrionali sono dove si trova la maggior parte delle attività di pesca e dove si verificano molti benefici dell'ecosistema per le persone, " Dice Lauderdale. "Prima di scaricare carichi di ferro e assorbire sostanze nutritive nell'Oceano Antartico, dovremmo considerare le conseguenze indesiderate a valle che potenzialmente peggiorano molto la situazione ambientale".