Журнал для юных умов
Меню сайта

Виртуальная реальность: Использование компьютерных моделей для изучения изменения климата Арктики

Фитопланктон - это растения океана. Когда они умирают и тонут, то становятся источником вкусной пищи для микроорганизмов, таких как бактерии, живущие в иле, который оседает на морском дне. Когда эти микроорганизмы питаются фитопланктоном, питательные вещества (химические вещества, необходимые для роста), хранящиеся в клетках фитопланктона, высвобождаются в воду, содержащуюся в иле. Затем эти питательные вещества попадают в океан и используются новым фитопланктоном - круг жизни! Однако этот процесс сложен и состоит из сотен реакций, которые в совокупности дают картину, наблюдаемую учеными во время экспедиций. Именно здесь на помощь приходят компьютеры. У нас есть компьютерные модели морского дна, которые помогут нам понять сложную сеть реакций, лежащих в основе наших наблюдений. Эти модели также можно использовать для моделирования экстремальных условий, чтобы увидеть, как изменение климата может повлиять на эти важные процессы.

Микроорганизмы морского дна

Фитопланктон - это крошечные растения океана. Отдельные виды фитопланктона невозможно увидеть без микроскопа, но они составляют основу всех экосистем в морском мире, поддерживая все - от косаток до белых медведей. Эти организмы, известные как автотрофы, выживают за счет использования энергии солнечного света в процессе, называемом фотосинтезом. В ходе этого процесса из атмосферы берется углерод (в виде CO2) и питательных веществ с поверхности океана и производит пищу для выживания фитопланктона (рис. 1). Когда фитопланктон умирает, он тонет и может быть погребен в иле на морском дне (Рисунок 2). В этот момент они сами становятся прекрасным источником вкусной пищи (которую мы называем "органическим веществом") для крошечных микроорганизмов. Микроорганизмы, живущие в этой илистой среде, похожи на людей тем, что им необходимо питаться органическими веществами для получения энергии, необходимой для выживания. Этот тип организмов известен как гетеротрофы. Как люди, мы едим органические вещества (фрукты, овощи), вдыхаем кислород из воздуха и перерабатываем все для получения энергии с помощью реакции, называемой дыханием, которая противоположна фотосинтезу (рис. 1). Некоторые микроорганизмы тоже так делают, если живут вблизи придонной воды океана, которая часто богата кислородом; но многие микроорганизмы живут глубоко в морском дне, где кислорода нет. Эти микроорганизмы по-прежнему питаются органическими веществами, но они приспособились использовать в процессе дыхания другие химические вещества, такие как нитрат ( NO 3 - ) и сульфат ( SO 4 2 - ). Некоторые из них даже могут использовать твердые вещества, такие как минералы железа (Fe(OH)3) [ 1 ]! Процесс распада органических веществ и сложная сеть реакций, происходящих на морском дне, известны как диагенез [ 2 ].

Рисунок 2 - Большое увеличение популяции фитопланктона называется цветением.

Диагенез, происходящий на морском дне, невероятно важен, поскольку по мере того, как микроорганизмы на морском дне питаются, питательные вещества, содержащиеся в их пище, попадают обратно в океан (рис. 2). Иногда, когда микроорганизмы используют твердые минералы железа для дыхания, железо также может попадать в океанскую воду. Железо требуется фитопланктону лишь в небольших количествах, поэтому мы называем его микроэлементом, но оно жизненно важно для их выживания и часто бывает в дефиците! Благодаря диагенезу, вместо того чтобы все органическое вещество, попавшее на морское дно, было погребено на миллионы лет, большинство питательных веществ, попавших на дно, возвращается в воду, чтобы быть использованными новым фитопланктоном и начать цикл заново. Если бы микроорганизмы на морском дне не существовали, представьте, что случилось бы с питательными веществами, которые фитопланктон должен брать из поверхностного слоя океана. Питательных веществ стало бы меньше, потому что не было бы возможности их перерабатывать! Вот почему нас так волнует процесс диагенеза, ведь фитопланктон, питающийся океанскими питательными веществами, невероятно важен для поглощения CO2из атмосферы, что необходимо для того, чтобы наши выбросы углекислого газа не привели к еще большему нагреванию планеты.

Мы можем изучать эти процессы на морском дне, плавая на кораблях и собирая трубки с илом, называемые кернами (рис. 3). Затем мы можем вернуть этот ил в наши лаборатории и измерить концентрацию различных химических веществ как в самом иле, так и в находящейся в нем воде, называемой поровой водой. Эта информация поможет нам понять, что происходит с органическими веществами, которые попадают на морское дно. Например, мы можем измерить количество органического вещества и скорость его поедания, а также посмотреть, как изменяется концентрация различных химических веществ, используемых в процессе дыхания, в керне сверху вниз. Однако существует множество процессов, которые могут изменить концентрацию этих химических веществ, в том числе и те, в которых не участвуют микроорганизмы. Поэтому, даже если мы можем измерить количество определенных веществ, иногда бывает очень сложно определить, какие именно процессы происходят на морском дне. Если мы хотим узнать, как изменение климата может повлиять на морское дно, нам необходимо знать, какие процессы происходят в тех местах, которые мы посещаем, и насколько они важны. Именно поэтому компьютерные модели так полезны.

Рисунок 3 - Собран керн осадочных пород с червями и губками! Выбранное условие, например количество пищи (органического вещества), доступной для микроорганизмов, измеряется в лаборатории.

Что такое компьютерная модель?

Модель - это всего лишь притворная версия реального мира, как в компьютерной игре. Модели включают в себя все: от авиасимуляторов, которые помогают обучать пилотов, до прогноза погоды для телевизионных новостей. Они могут существовать как простые рисунки на листе бумаги, так и более сложные формы, созданные с помощью компьютерного кода. Все модели - это упрощенные версии реального мира. Они строятся на основе того, что мы знаем о мире, поэтому они могут становиться тем сложнее, чем больше мы понимаем о различных процессах, происходящих в реальной жизни. К сожалению, более сложные модели требуют более мощных и дорогих компьютеров для выполнения расчетов. Для создания сложных моделей также требуется больше наблюдений из реального мира, которые не всегда доступны. Поэтому, создавая компьютерные модели, мы должны тщательно выбирать, что включать в них, ведь мы хотим быстро получать результаты, но при этом не быть слишком упрощенными. Например, в очень причудливой игровой графике, которая показывает, как именно выглядит человек или место, компьютеру придется потрудиться гораздо больше, чем если бы люди были представлены в виде фигурок, а здания - в виде простых серых блоков!

В случае с морским дном мы можем использовать модель под названием Biogeochemical Reaction Network Simulator (BRNS) [ 3 , 4 ]. BRNS включает в себя более 40 различных химических реакций и даже может моделировать такие вещи, как черви, перемешивающие ил [ 5 ]. Однако мы используем BRNS только для отдельных кернов, а не для больших районов океана, что означает, что мы можем рассматривать одно место с большим количеством деталей, но при этом получать результаты очень быстро с помощью обычных компьютеров, которые есть у вас дома. В BRNS мы берем измерения, которые ученые собирают во время своих экспедиций, и получаем из них гораздо больше информации. Для этого мы используем значения, известные как граничные условия, которые указывают модели, какой тип среды мы рассматриваем. Например, для Арктики наши граничные условия включают холодные температуры и мелкое морское дно, а также количество химических соединений, которое мы измерили в кернах и океанской воде над ними. Эти значения превращают пустую модель в виртуальное морское дно, представляющее Арктику, но модель можно изменить так, чтобы она представляла любую точку мира, если есть соответствующая информация. Мы можем изменять эти граничные условия до тех пор, пока виртуальный керн осадочных пород не будет выглядеть так же, как те значения, которые мы измерили в лаборатории из нашего реального керна. Когда виртуальный и реальный керн совпадают, мы называем это соответствием модели (рис. 3). Модель позволяет нам увидеть, как различные реакции, происходящие на морском дне, в сумме дают результаты наших наблюдений в реальном мире. Это полезно, поскольку чем больше мы можем понять

Задавайте интересные вопросы

После того как модель будет создана, мы сможем делать с нашим виртуальным миром морского дна все, что захотим, не причиняя никакого вреда реальной среде. Мы можем задавать нашей компьютерной модели вопросы вроде "Что произойдет, если растают все морские льды в Арктике?". Это значит, что мы можем посмотреть, что случилось бы с морским дном, если бы мир был другим, что является важным шагом к пониманию того, как могут выглядеть наши океаны в будущем. Правительствам нужна эта информация при принятии решений, которые могут повлиять на изменение климата. В Арктике таяние морского льда увеличивает площадь, на которой может расти фитопланктон, поэтому в будущем микроорганизмы на морском дне смогут получать больше органического вещества. Мы можем использовать нашу модель, чтобы проверить это и посмотреть, как это может повлиять на сообщества микроорганизмов на морском дне и на всю арктическую экосистему.

Выводы

Наш мир очень быстро меняется из-за изменения климата, и ученые могут использовать такие модели, как BRNS, чтобы понять, как может выглядеть наша планета в будущем. Поездки в места, где изменения происходят наиболее быстро, например в Арктику, могут быть очень полезны, но они также очень дороги, а из-за времени мы можем измерить лишь очень многое! К сожалению, есть некоторые процессы, которые мы не можем измерить напрямую, даже если знаем, что они происходят. Мы также не можем путешествовать во времени и отправляться в экспедиции в будущее или растапливать морской лед, чтобы посмотреть, как это повлияет на морское дно. Именно поэтому моделирование является таким мощным инструментом. Однако очень важно помнить, что для успешного моделирования необходимы большие группы ученых разного профиля, которые работают вместе и обмениваются информацией, полученной в результате бесчисленных часов экспедиционной и лабораторной работы, чтобы убедиться, что модель наилучшим образом отражает реальный мир!

Это интересно: