Redfield ratio
રેડફિલ્ડ રેશિયો અથવા રેડફિલ્ડ સ્ટોઇકિયોમેટ્રી એ દરિયાઈ ફાયટોપ્લાંકટન અને સમગ્ર ઊંડા મહાસાગરોમાં જોવા મળતા કાર્બન, નાઇટ્રોજન અને ફોસ્ફરસનો સુસંગત અણુ ગુણોત્તર છે. આ શબ્દ અમેરિકન સમુદ્રવિજ્ઞાની આલ્ફ્રેડ સી. રેડફિલ્ડ માટે નામ આપવામાં આવ્યો છે, જેમણે 1934માં પ્રથમ વખત સંશોધન જહાજ એટલાન્ટિસ પર અનેક સફર દરમિયાન એકત્રિત કરવામાં આવેલા દરિયાઈ બાયોમાસ નમૂનાઓમાં પોષક તત્ત્વોના પ્રમાણમાં સુસંગત ગુણોત્તરનું વર્ણન કર્યું હતું અને પ્રયોગમૂલક રીતે ગુણોત્તર C: N: P = 106:16:1 હોવાનું જાણવા મળ્યું હતું. જ્યારે ફાયટોપ્લાંકટન પ્રજાતિઓ અને અભ્યાસ ક્ષેત્રના આધારે કેનોનિકલ 106:16:1 ગુણોત્તરમાંથી વિચલનો જોવા મળ્યા છે, ત્યારે રેડફિલ્ડ ગુણોત્તર પોષક મર્યાદાનો અભ્યાસ કરતા સમુદ્રશાસ્ત્રીઓ માટે એક મહત્વપૂર્ણ સંદર્ભ રહ્યો છે. 1970 થી 2010 સુધી ફેલાયેલા તમામ મુખ્ય દરિયાઈ પ્રદેશોમાં પોષક તત્ત્વોના માપનના મોટા ડેટા સમૂહનો સારાંશ આપતા 2014 ના પેપરમાં વૈશ્વિક સરેરાશ C: N: P 163:22:1 હોવાનું નોંધાયું હતું. તેમના 1934 ના પેપર માટે, આલ્ફ્રેડ રેડફિલ્ડે એટલાન્ટિક, ભારતીય, પ્રશાંત મહાસાગરો અને બેરેન્ટસ સમુદ્ર માટે નાઇટ્રેટ અને ફોસ્ફેટ ડેટાનું વિશ્લેષણ કર્યું હતું. હાર્વર્ડ ફિઝિયોલોજિસ્ટ તરીકે, રેડફિલ્ડે સંશોધન જહાજ એટલાન્ટિસ પર ઘણી સફરમાં ભાગ લીધો હતો, દરિયાઈ પ્લાન્કટોનમાં સી, એન અને પી સામગ્રી માટેના ડેટાનું વિશ્લેષણ કર્યું હતું અને 1898 ની શરૂઆતમાં અન્ય સંશોધકો દ્વારા એકત્રિત કરવામાં આવેલા ડેટાનો સંદર્ભ આપ્યો હતો. રેડફિલ્ડે પ્રયોગમૂલક માહિતીના વિશ્લેષણથી તેમને જાણવા મળ્યું કે ત્રણ મહાસાગરો અને બેરેન્ટસ સમુદ્રમાં અને તેની અંદર, દરિયાઈ પાણીનો N: P અણુ ગુણોત્તર 20:1 ની નજીક હતો (પાછળથી તેને સુધારીને 16:1 કરવામાં આવ્યો), અને તે ફાયટોપ્લાંકટનના સરેરાશ N: P સાથે ખૂબ સમાન હતો. આ ઘટનાને સમજાવવા માટે, રેડફિલ્ડે શરૂઆતમાં બે પરસ્પર બિન-વિશિષ્ટ પદ્ધતિઓનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતોઃ I) પ્લાન્કટોનમાં N: P દરિયાઈ પાણીની N: P રચના તરફ વલણ ધરાવે છે. ખાસ કરીને, વિવિધ એન અને પી જરૂરિયાતો ધરાવતી ફાયટોપ્લાંકટન પ્રજાતિઓ એક જ માધ્યમમાં સ્પર્ધા કરે છે અને દરિયાઈ પાણીની પોષક રચનાને પ્રતિબિંબિત કરે છે. II) જૈવિક પ્રતિક્રિયા પદ્ધતિઓ દ્વારા દરિયાઈ પાણી અને પ્લાઙ્ક્ટોનિક પોષક તત્ત્વો વચ્ચેનું સંતુલન જાળવવામાં આવે છે. રેડફિલ્ડે થર્મોસ્ટેટ જેવા દૃશ્યની દરખાસ્ત કરી હતી જેમાં નાઇટ્રોજન ફિક્સર અને ડિનાઇટ્રિફાયર્સની પ્રવૃત્તિઓ પ્રોટોપ્લાઝમમાં જરૂરિયાતની નજીક દરિયાઈ પાણીમાં નાઇટ્રેટ અને ફોસ્ફેટના ગુણોત્તરને જાળવી રાખે છે. તે સમયે "પ્રોટોપ્લાજ્મ" ની રચના અથવા ફાયટોપ્લાંકટનની જથ્થાબંધ રચના વિશે બહુ ઓછું જાણીતું હતું તે ધ્યાનમાં લેતા, રેડફિલ્ડે તેનો N: P ગુણોત્તર લગભગ 16:1 કેમ હોવો જોઈએ તે સમજાવવાનો પ્રયાસ કર્યો ન હતો. 1958માં, ગુણોત્તરની પ્રથમ શોધ કર્યા પછી લગભગ એક ચતુર્થાંશ સદીમાં, રેડફિલ્ડે તેમની હસ્તપ્રત, ધ બાયોલોજિકલ કંટ્રોલ ઓફ કેમિકલ ફેક્ટર્સ ઇન ધ એન્વાયર્નમેન્ટમાં પછીની પદ્ધતિ તરફ ઝુકાવ્યું હતું. રેડફિલ્ડે પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો કે પ્લાન્કટોનમાં નાઇટ્રોજન અને ફોસ્ફરસના ગુણોત્તરના પરિણામે વૈશ્વિક મહાસાગરમાં ઓગળેલા નાઇટ્રેટ અને ફોસ્ફેટનો ગુણોત્તર નોંધપાત્ર રીતે સમાન છે (16:1). તેમણે વિચાર્યું કે કેવી રીતે માત્ર N અને P જ નહીં પણ C અને O નું ચક્ર પણ આ મેળામાં પરિણમી શકે છે. રેડફિલ્ડે ઊંડા મહાસાગરના રસાયણશાસ્ત્ર અને સપાટીના મહાસાગરમાં ફાયટોપ્લાંકટન જેવી જીવંત વસ્તુઓના રસાયણશાસ્ત્ર વચ્ચે નોંધપાત્ર સુસંગતતા શોધી કાઢી હતી. બંનેમાં અણુઓની દ્રષ્ટિએ લગભગ 16:1 નો N: P ગુણોત્તર છે. જ્યારે પોષક તત્ત્વો મર્યાદિત ન હોય ત્યારે મોટાભાગના ફાયટોપ્લાંકટનમાં દાઢ તત્વ ગુણોત્તર C: N: P 106:16:1 હોય છે. રેડફિલ્ડે વિચાર્યું કે તે સંપૂર્ણ રીતે સંયોગ નથી કે વિશાળ મહાસાગરોમાં જીવંત સજીવોની જરૂરિયાતોને સંપૂર્ણપણે અનુરૂપ રસાયણશાસ્ત્ર હશે. નિયંત્રિત રાસાયણિક પરિસ્થિતિઓ હેઠળના પ્રયોગશાળાના પ્રયોગોમાં જાણવા મળ્યું છે કે જ્યારે પર્યાવરણીય પોષક તત્ત્વોનું સ્તર તેમના કરતા વધી જાય ત્યારે પણ ફાયટોપ્લાંકટન બાયોમાસ રેડફિલ્ડ ગુણોત્તરને અનુરૂપ હશે, જે સૂચવે છે કે દરિયાઈ પોષક તત્ત્વોના ગુણોત્તર માટે ઇકોલોજીકલ અનુકૂલન એ એકમાત્ર સંચાલિત પદ્ધતિ નથી (રેડફિલ્ડ દ્વારા શરૂઆતમાં પ્રસ્તાવિત પદ્ધતિઓમાંથી એકથી વિપરીત). જો કે, પ્રતિસાદ પદ્ધતિઓનું અનુગામી મોડેલિંગ, ખાસ કરીને નાઇટ્રેટ-ફોસ્ફરસ કપલિંગ ફ્લક્સ, જૈવિક પ્રતિસાદ સંતુલનની તેમની સૂચિત પદ્ધતિને ટેકો આપે છે, જો કે આ પરિણામો પોષક પ્રવાહોની આપણી વર્તમાન સમજણની મર્યાદાઓથી મૂંઝવણમાં છે. સમુદ્રમાં, બાયોમાસનો મોટો હિસ્સો નાઇટ્રોજનથી સમૃદ્ધ પ્લાન્કટોન હોવાનું જોવા મળે છે. આમાંના ઘણા પ્લાન્કટોનનો વપરાશ અન્ય પ્લાન્કટોન બાયોમાસ દ્વારા થાય છે જે સમાન રાસાયણિક રચનાઓ ધરાવે છે. આનું પરિણામ સમાન એનઃપી ગુણોત્તરમાં આવે છે, સરેરાશ, વિશ્વના મહાસાગરોમાં તમામ પ્લાન્કટોન માટે, પ્રયોગમૂલક રીતે સરેરાશ આશરે 16:1 જોવા મળે છે. જ્યારે આ સજીવો સમુદ્રના આંતરિક ભાગમાં ડૂબી જાય છે, ત્યારે તેમના બાયોમાસનો વપરાશ બેક્ટેરિયા દ્વારા થાય છે, જે એરોબિક પરિસ્થિતિઓમાં, કાર્બનિક પદાર્થોને ઓક્સિડાઇઝ કરીને ઓગળેલા અકાર્બનિક પોષક તત્ત્વો, મુખ્યત્વે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, નાઇટ્રેટ અને ફોસ્ફેટ બનાવે છે. તમામ મુખ્ય દરિયાઈ તટપ્રદેશોના આંતરિક ભાગમાં નાઇટ્રેટ અને ફોસ્ફેટનો ગુણોત્તર ખૂબ જ સમાન છે તે સંભવતઃ સમુદ્રના પરિભ્રમણ સમયની તુલનામાં સમુદ્રમાં આ તત્વોના નિવાસ સમયને કારણે છે, ફોસ્ફરસ માટે આશરે 100,000 વર્ષ અને નાઇટ્રોજન માટે 2000 વર્ષ. હકીકત એ છે કે આ તત્વોનો રહેવાનો સમય મહાસાગરોના મિશ્રણના સમય (~ 1000 વર્ષ) કરતા વધારે છે, પરિણામે સમુદ્રના આંતરિક ભાગમાં નાઈટ્રેટ અને ફોસ્ફેટનો ગુણોત્તર એકદમ સમાન રહે છે. એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે આ ગુણોત્તર જાળવવામાં ફાયટોપ્લાંકટન મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે. જેમ જેમ કાર્બનિક પદાર્થો ડૂબી જાય છે તેમ તેમ નાઇટ્રેટ અને ફોસ્ફેટ બંને પુનર્ધિરાણ દ્વારા સમુદ્રમાં મુક્ત થાય છે. સુક્ષ્મસજીવો પ્રાધાન્યમાં ફોસ્ફેટ કરતાં નાઇટ્રેટમાં ઓક્સિજનનો વપરાશ કરે છે, જે 16:1 કરતા ઓછો N: P ગુણોત્તર ધરાવતા ઊંડા દરિયાઈ પાણી તરફ દોરી જાય છે. ત્યાંથી, સમુદ્રના પ્રવાહો પોષક તત્ત્વોને સપાટી પર લઈ જાય છે જ્યાં ફાયટોપ્લાંકટન વધારાના ફોસ્ફરસનો વપરાશ કરશે અને નાઇટ્રોજન સ્થિરીકરણ દ્વારા N2 નો વપરાશ કરીને 16:1 નો N: P ગુણોત્તર જાળવી રાખશે. જ્યારે આવી દલીલો સંભવિત રીતે સમજાવી શકે છે કે શા માટે ગુણોત્તર એકદમ સ્થિર છે, તેઓ એ પ્રશ્નને સંબોધિત કરતા નથી કે શા માટે એનઃ પી ગુણોત્તર લગભગ 16 છે અને કોઈ અન્ય સંખ્યા નથી. આ ગુણોત્તરમાં પરિણમતું સંશોધન મહાસાગરોના જૈવ ભૂરાસાયણ ચક્રની સમજણમાં મૂળભૂત લક્ષણ બની ગયું છે, અને જૈવ ભૂરાસાયણશાસ્ત્રના મુખ્ય સિદ્ધાંતોમાંથી એક છે. રેડફિલ્ડ રેશિયો વૈશ્વિક પરિભ્રમણ મોડેલોમાં કાર્બન અને પોષક દ્રવ્યોના પ્રવાહના અંદાજમાં સહાયક છે. જો ત્યાં મર્યાદિત પોષક તત્ત્વો હોય તો સ્થાનિક પ્રણાલીમાં કયા પોષક તત્ત્વો મર્યાદિત છે તે નક્કી કરવામાં પણ તેઓ મદદ કરે છે. આ ગુણોત્તરનો ઉપયોગ વિવિધ પ્રદેશો વચ્ચેના ગુણોત્તરની સરખામણી કરીને ફાયટોપ્લાંકટન મોરની રચના અને ત્યારબાદ હાયપોક્સિયાને સમજવા માટે પણ થઈ શકે છે, જેમ કે મિસિસિપી નદીના રેડફિલ્ડ ગુણોત્તરની મેક્સિકોના ઉત્તરીય અખાતના ગુણોત્તર સાથે સરખામણી. N: P ને નિયંત્રિત કરવું એ ટકાઉ જળાશય વ્યવસ્થાપન માટેનું એક સાધન બની શકે છે. એવું પણ બની શકે છે કે રેડફિલ્ડ રેશિયો પાર્થિવ છોડ, માટી અને માટીના માઇક્રોબાયલ બાયોમાસને લાગુ પડે છે, જે પાર્થિવ ઇકોસિસ્ટમ્સમાં સંસાધનોને મર્યાદિત કરવા વિશે માહિતી આપશે. 2007ના એક અભ્યાસમાં, માટી અને માઇક્રોબાયલ બાયોમાસમાં વૈશ્વિક સ્તરે સરેરાશ અનુક્રમે 186:13:1 અને 60:7:1 નો સુસંગત C: N: P ગુણોત્તર જોવા મળ્યો હતો. કેનોનિકલ રેડફિલ્ડ રેશિયોમાંથી વિચલનો રેડફિલ્ડ રેશિયો શરૂઆતમાં એટલાન્ટિક મહાસાગરના કેટલાક સ્ટેશનોમાંથી એકત્રિત કરવામાં આવેલા દરિયાઈ પાણીના નાઇટ્રેટ અને ફોસ્ફેટની માત્રા ઉપરાંત પ્લાન્કટોનની મૂળભૂત રચનાના માપનમાંથી પ્રયોગમૂલક રીતે મેળવવામાં આવ્યો હતો. આને પાછળથી ઓગળેલા નાઇટ્રેટ અને ફોસ્ફેટના સેંકડો સ્વતંત્ર માપન દ્વારા સમર્થન આપવામાં આવ્યું હતું. જો કે, નાઇટ્રોજન અથવા ફોસ્ફરસની મર્યાદા હેઠળ ઉગાડવામાં આવતી ફાયટોપ્લાંકટનની વ્યક્તિગત પ્રજાતિઓની રચના દર્શાવે છે કે આ એનઃપી ગુણોત્તર 6:1 થી 60:1 સુધી ગમે ત્યાં બદલાઈ શકે છે. આ સમસ્યાને સમજતી વખતે, રેડફિલ્ડે ક્યારેય તેને સમજાવવાનો પ્રયાસ કર્યો ન હતો, સિવાય કે સમુદ્રના આંતરિક ભાગમાં અકાર્બનિક પોષક તત્ત્વોનો એનઃપી ગુણોત્તર સરેરાશ હતો અને તેમાં નાના પાયે પરિવર્તનની અપેક્ષા રાખવામાં આવી હતી. ઊંડા સમુદ્રમાં રેડફિલ્ડ ગુણોત્તર નોંધપાત્ર રીતે સ્થિર હોવા છતાં, તે વ્યાપક રીતે દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે ફાયટોપ્લાંકટનમાં સીઃ એનઃ પી રચનામાં મોટી ભિન્નતા હોઈ શકે છે, અને તેમની જીવન વ્યૂહરચના સીઃ એનઃ પી ગુણોત્તરમાં ભૂમિકા ભજવે છે. આ પરિવર્તનશીલતાએ કેટલાક સંશોધકોને અનુમાન લગાવ્યું છે કે રેડફિલ્ડ ગુણોત્તર કદાચ આધુનિક મહાસાગરમાં ફાયટોપ્લાંકટનના મૂળભૂત લક્ષણને બદલે સામાન્ય સરેરાશ છે, જોકે એવી દલીલ પણ કરવામાં આવી છે કે તે હોમિયોસ્ટેટિક પ્રોટીન-થી-આર. આર. એન. એ. ગુણોત્તર સાથે સંબંધિત છે જે મૂળભૂત રીતે પ્રોકેરીયોટ્સ અને યુકેરીયોટ્સ બંનેમાં હાજર છે, જે તેને સૌથી સામાન્ય રચના બનવામાં ફાળો આપે છે. C: N: P ગુણોત્તરમાં જોવા મળતી પરિવર્તનશીલતા માટે ઘણી સંભવિત સમજૂતીઓ છે. કોષ જે ઝડપે વધે છે તે કોષની રચના અને તેના કારણે તેના સ્ટોઇકિયોમેટ્રી પર અસર કરે છે. ઉપરાંત, જ્યારે ફોસ્ફરસની અછત હોય છે, ત્યારે ફાયટોપ્લાંકટન સમુદાયો તેમની પી સામગ્રીને ઘટાડી શકે છે, એનઃ પી વધારી શકે છે. વધુમાં, મૃત ફાયટોપ્લાંકટન અને ડિટ્રિટસનો સંચય અને જથ્થો ચોક્કસ ખાદ્ય સ્રોતોની ઉપલબ્ધતાને અસર કરી શકે છે જે બદલામાં કોષની રચનાને અસર કરે છે. કેટલીક ઇકોસિસ્ટમ્સમાં, રેડફિલ્ડ રેશિયો પણ ઇકોસિસ્ટમમાં હાજર પ્રબળ ફાયટોપ્લાંકટન ટેક્સ દ્વારા નોંધપાત્ર રીતે બદલાતો હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે, વિપુલ પ્રમાણમાં પોષક તત્ત્વો ધરાવતી સિસ્ટમોમાં પણ. પરિણામે, સિસ્ટમ-વિશિષ્ટ રેડફિલ્ડ રેશિયો પ્લાન્કટોન સમુદાય માળખા માટે પ્રોક્સી તરીકે કામ કરી શકે છે. દરિયાઈ પ્રદેશમાં દરિયાઇ ફાયટોપ્લાંકટન જેવા સજીવોની મૂળભૂત રચના કેનોનિકલ રેડફિલ્ડ ગુણોત્તરને અનુરૂપ નથી તેવા અહેવાલો હોવા છતાં, આ ગુણોત્તરનો મૂળભૂત ખ્યાલ માન્ય અને ઉપયોગી છે. વિસ્તૃત રેડફિલ્ડ ગુણોત્તર કેટલાકને લાગે છે કે પોટેશિયમ, સલ્ફર, જસત, તાંબુ અને લોખંડ જેવા અન્ય તત્વો પણ છે જે સમુદ્રના રસાયણશાસ્ત્રમાં પણ મહત્વપૂર્ણ છે. ખાસ કરીને, આયર્ન (ફે) ને ખૂબ મહત્વનું માનવામાં આવતું હતું કારણ કે પ્રારંભિક જૈવિક સમુદ્રશાસ્ત્રીઓએ ધારણા કરી હતી કે આયર્ન પણ સમુદ્રમાં પ્રાથમિક ઉત્પાદન માટે મર્યાદિત પરિબળ હોઈ શકે છે. ત્યારથી પ્રયોગોએ સાબિત કર્યું છે કે પ્રાથમિક ઉત્પાદન માટે આયર્ન એક મર્યાદિત પરિબળ છે. 64 ચોરસ કિમી વિસ્તારમાં આયર્નથી સમૃદ્ધ દ્રાવણ ઉમેરવામાં આવ્યું હતું, જેના કારણે ફાયટોપ્લાંકટનના પ્રાથમિક ઉત્પાદનમાં વધારો થયો હતો. પરિણામે આ સંતુલનના ભાગરૂપે તેનો સમાવેશ કરવા માટે વિસ્તૃત રેડફિલ્ડ ગુણોત્તર વિકસાવવામાં આવ્યો હતો. આ નવો સ્ટોઇકિયોમેટ્રિક ગુણોત્તર જણાવે છે કે ગુણોત્તર 106 સેઃ 16 એનઃ 1 પીઃ 0.1-0.001 ફે હોવો જોઈએ. ફે માટે મોટી વિવિધતા એ જહાજો અને વૈજ્ઞાનિક સાધનોના નોંધપાત્ર અવરોધનું પરિણામ છે જે સમુદ્રમાં એકત્રિત કરવામાં આવેલા કોઈપણ નમૂનાઓને વધુ પડતા ફે સાથે દૂષિત કરે છે. તે આ દૂષણ હતું જેના પરિણામે પ્રારંભિક પુરાવા સૂચવે છે કે આયર્નની સાંદ્રતા વધારે હતી અને દરિયાઈ પ્રાથમિક ઉત્પાદનમાં મર્યાદિત પરિબળ ન હતું. ડાયટોમ્સને તેમના ફ્રસ્ટ્યુલ્સ (કોષ દિવાલો) માટે બાયોજેનિક સિલિકા બનાવવા માટે અન્ય પોષક તત્ત્વોની સાથે સિલિસિક એસિડની જરૂર પડે છે. આના પરિણામે, ડાયટોમ્સ માટે રેડફિલ્ડ-બ્રેઝિન્સ્કી પોષક ગુણોત્તરની દરખાસ્ત કરવામાં આવી હતી અને તે C: Si: N: P = 106:15:16:1 હોવાનું જણાવવામાં આવ્યું હતું. પ્રાથમિક ઉત્પાદનથી આગળ વધીને, ફાયટોપ્લાંકટન બાયોમાસના એરોબિક શ્વસન દ્વારા વપરાતો ઓક્સિજન પણ અન્ય ઘટકોના અનુમાનિત પ્રમાણને અનુસરતો હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. O2: C ગુણોત્તર 138:106 પર માપવામાં આવ્યો છે. ઇકોલોજીકલ સ્ટોઇકિઓમેટ્રી બાયોજિઓકેમિકલ ચક્ર સંદર્ભો જ્હોનસન, ઝેકરી પણ જુઓ. "બાયોજિઓકેમિસ્ટ્રી IV". યુનિવર્સિટી ઓફ હવાઈ સ્કૂલ ઓફ ઓશન એન્ડ અર્થ સાયન્સ એન્ડ ટેકનોલોજી. વેબ. <http://www.soest.hawaii.edu/oceanography/zij/ocn621/OCN621-20060215-biogeochemistry.pdf>. લેન્ટઝ, જેનિફર. "ન્યુટ્રિઅન્ટ સ્ટોઇકિયોમેટ્રી-રેડફિલ્ડ રેશિયો". એલએસયુ સ્કૂલ ઓફ ધ કોસ્ટ એન્ડ એન્વાયર્નમેન્ટ, 2010. વેબ. <http://www.sce.lsu.edu/cego/Documents/Reviews/Oceanography/Nutrient_Stoichiometry.pdf>. પી. જી. ફાલ્કોવસ્કી અને સી. એસ. ડેવિસ. "મરીન બાયોજિઓકેમિસ્ટ્રીઃ રેડફિલ્ડ રેશિયો પર". વિજ્ઞાન સપ્તાહ. કુદરત, 2004. વેબ. <http://scienceweek.com/2004/sa041119-5.htm>. પર્યાવરણીય ગુણોત્તર