Redfield ratio
रेडफील्ड अनुपात या रेडफील्ड स्टोइकिओमेट्री कार्बन, नाइट्रोजन और फॉस्फोरस का सुसंगत परमाणु अनुपात है जो समुद्री फाइटोप्लांकटन और पूरे गहरे महासागरों में पाया जाता है। इस शब्द का नाम अमेरिकी समुद्रविज्ञानी अल्फ्रेड सी. रेडफील्ड के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने 1934 में पहली बार शोध पोत अटलांटिस पर कई यात्राओं में एकत्र किए गए समुद्री बायोमास नमूनों में पोषक तत्वों के अपेक्षाकृत सुसंगत अनुपात का वर्णन किया, और अनुभवजन्य रूप से अनुपात सीः एनः पी = 106:16:1 पाया। जबकि फाइटोप्लांकटन प्रजातियों और अध्ययन क्षेत्र के आधार पर विहित 106:16:1 अनुपात से विचलन पाए गए हैं, रेडफील्ड अनुपात पोषक तत्वों की सीमा का अध्ययन करने वाले समुद्रविदों के लिए एक महत्वपूर्ण संदर्भ बना हुआ है। 1970 से 2010 तक के सभी प्रमुख महासागर क्षेत्रों में पोषक तत्वों के माप के एक बड़े डेटा सेट का सारांश देते हुए 2014 के एक पेपर ने वैश्विक माध्यिका सीः एनः पी को 163:22:1 बताया। 1934 के अपने शोध पत्र के लिए, अल्फ्रेड रेडफील्ड ने अटलांटिक, भारतीय, प्रशांत महासागरों और बैरेंट्स सागर के लिए नाइट्रेट और फॉस्फेट डेटा का विश्लेषण किया। एक हार्वर्ड फिजियोलॉजिस्ट के रूप में, रेडफील्ड ने शोध पोत अटलांटिस पर कई यात्राओं में भाग लिया, समुद्री प्लैंकटन में सी, एन और पी सामग्री के लिए डेटा का विश्लेषण किया, और 1898 की शुरुआत में अन्य शोधकर्ताओं द्वारा एकत्र किए गए डेटा का संदर्भ दिया। रेडफील्ड के अनुभवजन्य आंकड़ों के विश्लेषण ने उन्हें यह पता लगाने के लिए प्रेरित किया कि तीन महासागरों और बैरेंट्स सागर के पार और भीतर, समुद्री जल का एनः पी परमाणु अनुपात 20:1 के करीब था (बाद में 16:1 में सही किया गया), और यह फाइटोप्लांकटन के औसत एनः पी के समान था। इस घटना की व्याख्या करने के लिए, रेडफील्ड ने शुरू में दो पारस्परिक रूप से गैर-विशिष्ट तंत्रों का प्रस्ताव रखाः I) प्लैंकटन में एनःपी समुद्री जल की एनःपी संरचना की ओर जाता है। विशेष रूप से, विभिन्न एन और पी आवश्यकताओं के साथ फाइटोप्लांकटन प्रजातियां एक ही माध्यम के भीतर प्रतिस्पर्धा करती हैं और समुद्री जल की पोषक संरचना को दर्शाती हैं। II) जैविक प्रतिक्रिया तंत्र के माध्यम से समुद्री जल और प्लैंकटनिक पोषक तत्वों के पूल के बीच एक संतुलन बनाए रखा जाता है। रेडफील्ड ने एक थर्मोस्टेट जैसे परिदृश्य का प्रस्ताव रखा जिसमें नाइट्रोजन फिक्सर और डिनाइट्रिफायर की गतिविधियाँ समुद्री जल में नाइट्रेट और फॉस्फेट के अनुपात को प्रोटोप्लाज्म की आवश्यकताओं के करीब रखती हैं। यह देखते हुए कि उस समय "प्रोटोप्लाज्म" की संरचना या फाइटोप्लांकटन की थोक संरचना के बारे में बहुत कम जानकारी थी, रेडफील्ड ने यह समझाने का प्रयास नहीं किया कि इसका एनःपी अनुपात लगभग 16:1 क्यों होना चाहिए। 1958 में, अनुपात की पहली खोज के लगभग एक चौथाई सदी बाद, रेडफील्ड ने अपनी पांडुलिपि, द बायोलॉजिकल कंट्रोल ऑफ केमिकल फैक्टर्स इन द एनवायरनमेंट में बाद के तंत्र की ओर रुख किया। रेडफील्ड ने प्रस्तावित किया कि प्लैंकटन में नाइट्रोजन और फॉस्फोरस के अनुपात के परिणामस्वरूप वैश्विक महासागर में विघटित नाइट्रेट और फॉस्फेट (16:1) का अनुपात उल्लेखनीय रूप से समान है। उन्होंने विचार किया कि कैसे न केवल एन और पी बल्कि सी और ओ के चक्र भी इस मैच में परिणाम के लिए परस्पर क्रिया कर सकते हैं। व्याख्या रेडफील्ड ने गहरे महासागर के रसायन विज्ञान और सतह महासागर में फाइटोप्लांकटन जैसी जीवित चीजों के रसायन विज्ञान के बीच उल्लेखनीय सामंजस्य की खोज की। परमाणुओं के संदर्भ में दोनों का एनःपी अनुपात लगभग 16:1 है। जब पोषक तत्व सीमित नहीं होते हैं, तो अधिकांश फाइटोप्लांकटन में मोलर मौलिक अनुपात सीः एनः पी 106:16:1 होता है। रेडफील्ड ने सोचा कि यह विशुद्ध रूप से संयोग नहीं था कि विशाल महासागरों में एक रसायन होगा जो जीवित जीवों की आवश्यकताओं के लिए पूरी तरह से अनुकूल होगा। नियंत्रित रासायनिक स्थितियों के तहत प्रयोगशाला प्रयोगों में पाया गया है कि फाइटोप्लांकटन बायोमास रेडफील्ड अनुपात के अनुरूप होगा, भले ही पर्यावरणीय पोषक तत्वों का स्तर उनसे अधिक हो, यह सुझाव देते हुए कि समुद्री पोषक तत्वों के अनुपात के लिए पारिस्थितिक अनुकूलन एकमात्र शासी तंत्र नहीं है (रेडफील्ड द्वारा शुरू में प्रस्तावित तंत्रों में से एक के विपरीत)। हालांकि, प्रतिक्रिया तंत्र के बाद के मॉडलिंग, विशेष रूप से नाइट्रेट-फॉस्फोरस युग्मन प्रवाह, जैविक प्रतिक्रिया संतुलन के उनके प्रस्तावित तंत्र का समर्थन करते हैं, हालांकि ये परिणाम पोषक प्रवाह की हमारी वर्तमान समझ में सीमाओं से भ्रमित हैं। महासागर में, बायोमास का एक बड़ा हिस्सा नाइट्रोजन युक्त प्लैंकटन पाया जाता है। इनमें से कई प्लैंकटन का सेवन अन्य प्लैंकटन बायोमास द्वारा किया जाता है जिनमें समान रासायनिक संरचनाएं होती हैं। इसके परिणामस्वरूप दुनिया भर के महासागरों में सभी प्लैंकटन के लिए औसतन एक समान एनःपी अनुपात होता है, जो अनुभवजन्य रूप से औसतन लगभग 16:1 पाया जाता है। जब ये जीव समुद्र के अंदरूनी भाग में डूब जाते हैं, तो उनके बायोमास का सेवन बैक्टीरिया द्वारा किया जाता है, जो एरोबिक स्थितियों में, कार्बनिक पदार्थों को घुलनशील अकार्बनिक पोषक तत्वों, मुख्य रूप से कार्बन डाइऑक्साइड, नाइट्रेट और फॉस्फेट बनाने के लिए ऑक्सीकृत करते हैं। सभी प्रमुख महासागर बेसिनों के आंतरिक भाग में नाइट्रेट और फॉस्फेट का अनुपात अत्यधिक समान है, संभवतः समुद्र के परिसंचरण समय के सापेक्ष समुद्र में इन तत्वों के निवास समय के कारण है, फॉस्फोरस के लिए लगभग 100,000 वर्ष और नाइट्रोजन के लिए 2000 वर्ष। तथ्य यह है कि इन तत्वों का निवास समय महासागरों के मिश्रण समय (~ 1000 वर्ष) से अधिक है, जिसके परिणामस्वरूप समुद्र के आंतरिक भाग में नाइट्रेट और फॉस्फेट का अनुपात काफी समान रह सकता है। यह दिखाया गया है कि फाइटोप्लांकटन इस अनुपात को बनाए रखने में मदद करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। जैसे-जैसे कार्बनिक पदार्थ डूबते हैं, नाइट्रेट और फॉस्फेट दोनों को पुनर्योजीकरण के माध्यम से समुद्र में छोड़ दिया जाता है। सूक्ष्मजीव अधिमानतः फॉस्फेट की तुलना में नाइट्रेट में ऑक्सीजन का उपभोग करते हैं जिससे 16:1 से कम के एनःपी अनुपात वाले गहरे समुद्री जल की ओर जाता है। वहाँ से, महासागर की धाराएँ पोषक तत्वों को सतह तक ले जाती हैं जहाँ फाइटोप्लांकटन अतिरिक्त फॉस्फोरस का उपभोग करेगा और नाइट्रोजन स्थिरीकरण के माध्यम से N2 का उपभोग करके 16:1 का N: P अनुपात बनाए रखेगा। हालांकि इस तरह के तर्क संभावित रूप से समझा सकते हैं कि अनुपात काफी स्थिर क्यों हैं, वे इस सवाल का जवाब नहीं देते हैं कि एनःपी अनुपात लगभग 16 क्यों है और कोई अन्य संख्या क्यों नहीं है। उपयोग इस अनुपात के परिणामस्वरूप अनुसंधान महासागरों के जैव-भूरासायनिक चक्रों की समझ में एक मौलिक विशेषता बन गया है, और जैव-भू-रसायन के प्रमुख सिद्धांतों में से एक है। रेडफील्ड अनुपात वैश्विक परिसंचरण मॉडल में कार्बन और पोषक तत्वों के प्रवाह का अनुमान लगाने में सहायक है। यदि कोई सीमित पोषक तत्व है तो वे यह निर्धारित करने में भी मदद करते हैं कि स्थानीय प्रणाली में कौन से पोषक तत्व सीमित हैं। इस अनुपात का उपयोग विभिन्न क्षेत्रों के बीच अनुपात की तुलना करके फाइटोप्लांकटन खिलने और बाद में हाइपोक्सिया के गठन को समझने के लिए भी किया जा सकता है, जैसे कि मिसिसिपी नदी के रेडफील्ड अनुपात की तुलना मैक्सिको की उत्तरी खाड़ी के अनुपात से करना। एनःपी को नियंत्रित करना टिकाऊ जलाशय प्रबंधन का एक साधन हो सकता है। यह भी मामला हो सकता है कि रेडफील्ड अनुपात स्थलीय पौधों, मिट्टी और मिट्टी के सूक्ष्मजीव बायोमास पर लागू होता है, जो स्थलीय पारिस्थितिकी प्रणालियों में संसाधनों को सीमित करने के बारे में सूचित करेगा। 2007 के एक अध्ययन में, मिट्टी और माइक्रोबियल बायोमास में वैश्विक स्तर पर औसतन क्रमशः 186:13:1 और 60:7:1 का सुसंगत C: N: P अनुपात पाया गया। केनोनिकल रेडफील्ड अनुपात से विचलन रेडफील्ड अनुपात शुरू में अटलांटिक महासागर में कुछ स्टेशनों से एकत्र किए गए समुद्री जल के नाइट्रेट और फॉस्फेट सामग्री के अलावा प्लैंकटन की मौलिक संरचना के माप से अनुभवजन्य रूप से प्राप्त किया गया था। यह बाद में विघटित नाइट्रेट और फॉस्फेट के सैकड़ों स्वतंत्र मापों द्वारा समर्थित था। हालांकि, नाइट्रोजन या फास्फोरस की सीमा के तहत उगाए जाने वाले फाइटोप्लांकटन की अलग-अलग प्रजातियों की संरचना से पता चलता है कि यह एनःपी अनुपात 6:1 से 60:1 तक कहीं भी भिन्न हो सकता है। इस समस्या को समझते हुए, रेडफील्ड ने कभी भी इसे समझाने का प्रयास नहीं किया, सिवाय इस बात के कि समुद्र के आंतरिक भाग में अकार्बनिक पोषक तत्वों का एनःपी अनुपात औसत था और इसमें छोटे पैमाने पर परिवर्तन की उम्मीद की जा सकती थी। यद्यपि गहरे महासागर में रेडफील्ड अनुपात उल्लेखनीय रूप से स्थिर है, यह व्यापक रूप से दिखाया गया है कि फाइटोप्लांकटन की सीः एनः पी संरचना में बड़ी भिन्नता हो सकती है, और उनकी जीवन रणनीति सीः एनः पी अनुपात में एक भूमिका निभाती है। इस परिवर्तनशीलता ने कुछ शोधकर्ताओं को यह अनुमान लगाने पर मजबूर कर दिया है कि रेडफील्ड अनुपात शायद आधुनिक महासागर में फाइटोप्लांकटन की एक मौलिक विशेषता के बजाय एक सामान्य औसत है, हालांकि यह भी तर्क दिया गया है कि यह एक होमियोस्टैटिक प्रोटीन-से-आर. आर. एन. ए. अनुपात से संबंधित है जो मूल रूप से प्रोकैरियोट्स और यूकेरियोट्स दोनों में मौजूद है, जो इसे सबसे आम संरचना होने में योगदान देता है। सीः एनः पी अनुपात में देखी गई परिवर्तनशीलता के लिए कई संभावित स्पष्टीकरण हैं। जिस गति से कोशिका बढ़ती है, उसका कोशिका संरचना और इस तरह इसकी स्टोइकिओमेट्री पर प्रभाव पड़ता है। इसके अलावा, जब फॉस्फोरस की कमी होती है, तो फाइटोप्लांकटन समुदाय अपनी पी सामग्री को कम कर सकते हैं, जिससे एनःपी बढ़ जाता है। इसके अतिरिक्त, मृत फाइटोप्लांकटन और डिट्रिटस का संचय और मात्रा कुछ खाद्य स्रोतों की उपलब्धता को प्रभावित कर सकती है जो बदले में कोशिका की संरचना को प्रभावित करती है। कुछ पारिस्थितिकी प्रणालियों में, रेडफील्ड अनुपात को पारिस्थितिकी तंत्र में मौजूद प्रमुख फाइटोप्लांकटन टैक्स द्वारा भी महत्वपूर्ण रूप से भिन्न दिखाया गया है, यहां तक कि प्रचुर मात्रा में पोषक तत्वों वाली प्रणालियों में भी। नतीजतन, प्रणाली-विशिष्ट रेडफील्ड अनुपात प्लैंकटन सामुदायिक संरचना के लिए एक प्रतिनिधि के रूप में काम कर सकता है। रिपोर्टों के बावजूद कि एक महासागरीय क्षेत्र में समुद्री फाइटोप्लांकटन जैसे जीवों की मौलिक संरचना विहित रेडफील्ड अनुपात के अनुरूप नहीं है, इस अनुपात की मौलिक अवधारणा मान्य और उपयोगी बनी हुई है। विस्तारित रेडफील्ड अनुपात कुछ लोगों का मानना है कि पोटेशियम, सल्फर, जस्ता, तांबा और लोहा जैसे अन्य तत्व भी हैं जो महासागर रसायन विज्ञान में भी महत्वपूर्ण हैं। विशेष रूप से, लोहे (फे) को बहुत महत्वपूर्ण माना जाता था क्योंकि प्रारंभिक जैविक समुद्रविदों ने परिकल्पना की थी कि महासागर में प्राथमिक उत्पादन के लिए लोहा भी एक सीमित कारक हो सकता है। तब से प्रयोग ने साबित किया है कि लोहा प्राथमिक उत्पादन के लिए एक सीमित कारक है। 64 वर्ग कि. मी. क्षेत्र में लौह-समृद्ध घोल जोड़ा गया जिससे फाइटोप्लांकटन के प्राथमिक उत्पादन में वृद्धि हुई। परिणामस्वरूप इस संतुलन के हिस्से के रूप में इसे शामिल करने के लिए एक विस्तारित रेडफील्ड अनुपात विकसित किया गया था। यह नया स्टोइकिओमेट्रिक अनुपात बताता है कि अनुपात 106 °C: 16 °N: 1 P: 0.1-0.001 Fe होना चाहिए। फे के लिए बड़ी भिन्नता जहाजों और वैज्ञानिक उपकरणों की महत्वपूर्ण बाधा का परिणाम है जो समुद्र में एकत्र किए गए किसी भी नमूने को अतिरिक्त फे के साथ दूषित करते हैं। यह वह संदूषण था जिसके परिणामस्वरूप प्रारंभिक साक्ष्य यह सुझाव देते हैं कि लोहे की सांद्रता अधिक थी और समुद्री प्राथमिक उत्पादन में एक सीमित कारक नहीं थी। डायटम को अन्य पोषक तत्वों के साथ-साथ अपने फ्रस्ट्यूल (कोशिका भित्ति) के लिए जैविक सिलिका बनाने के लिए सिलिक एसिड की आवश्यकता होती है। इसके परिणामस्वरूप, डायटम के लिए रेडफील्ड-ब्रज़ेज़िंस्की पोषक तत्व अनुपात प्रस्तावित किया गया था और इसे सीः सीः एनः पी = 106:15:16:1 कहा गया था। प्राथमिक उत्पादन से परे विस्तार करते हुए, फाइटोप्लांकटन बायोमास के एरोबिक श्वसन द्वारा खपत ऑक्सीजन को अन्य तत्वों के लिए एक अनुमानित अनुपात का पालन करने के लिए भी दिखाया गया है। O2: C अनुपात को 138:106 पर मापा गया है। पारिस्थितिकी स्टोइकिओमेट्री जैव-भूरासायनिक चक्र संदर्भ जॉनसन, ज़ैकरी भी देखें। "बायोजियोकैमिस्ट्री IV"। हवाई विश्वविद्यालय स्कूल ऑफ ओशन एंड अर्थ साइंस एंड टेक्नोलॉजी। वेब. <http://www.soest.hawaii.edu/oceanography/zij/ocn621/OCN621-20060215-biogeochemistry.pdf>। लेंट्ज़, जेनिफर। "पोषक तत्व स्टोइकिओमेट्री-रेडफील्ड अनुपात"। एलएसयू स्कूल ऑफ द कोस्ट एंड एनवायरनमेंट, 2010। वेब. <http://www.sce.lsu.edu/cego/Documents/Reviews/Oceanography/Nutrient_Stoichiometry.pdf>। पी. जी फाल्कोवस्की और सी. एस. डेविस। "मरीन बायोजिओकेमिस्ट्रीः ऑन रेडफील्ड रेशियो"। विज्ञान सप्ताह। प्रकृति, 2004। वेब. <http://scienceweek.com/2004/sa041119-5.htm>। पारिस्थितिकी अनुपात