Redfield ratio
ریڈ فیلڈ تناسب یا ریڈ فیلڈ اسٹوچیومیٹری کاربن، نائٹروجن اور فاسفورس کا مستقل جوہری تناسب ہے جو سمندری فائٹوپلانکٹن اور گہرے سمندروں میں پایا جاتا ہے۔ اس اصطلاح کا نام امریکی سمندری ماہر الفریڈ سی ریڈ فیلڈ کے نام پر رکھا گیا ہے جس نے 1934 میں پہلی بار تحقیقی جہاز اٹلانٹس پر سوار کئی سفر کے دوران جمع کیے گئے سمندری بائیو ماس کے نمونوں میں غذائی اجزاء کے نسبتا مستقل تناسب کو بیان کیا، اور تجرباتی طور پر یہ تناسب C: N: P = 106:16:1 پایا۔ اگرچہ فائٹوپلانکٹن پرجاتیوں اور مطالعہ کے علاقے کے لحاظ سے کینونکل 106:16:1 تناسب سے انحراف پایا گیا ہے، ریڈ فیلڈ تناسب غذائیت کی حد کا مطالعہ کرنے والے سمندری ماہرین کا ایک اہم حوالہ رہا ہے۔ 2014 کے ایک مقالے میں 1970 سے 2010 تک کے تمام بڑے سمندری علاقوں میں غذائی اجزاء کی پیمائش کے ایک بڑے ڈیٹا سیٹ کا خلاصہ کرتے ہوئے عالمی میڈین C: N: P کو 163:22:1 بتایا گیا۔ 1934 کے اپنے مقالے کے لیے، الفریڈ ریڈ فیلڈ نے بحر اوقیانوس، ہندوستانی، بحر الکاہل اور بحیرہ بیرنٹس کے لیے نائٹریٹ اور فاسفیٹ کے اعداد و شمار کا تجزیہ کیا۔ ہارورڈ کے ماہر فعلیات کی حیثیت سے، ریڈ فیلڈ نے تحقیقی جہاز اٹلانٹس پر سوار کئی سفر میں حصہ لیا، سمندری پلانکٹن میں سی، این، اور پی مواد کے اعداد و شمار کا تجزیہ کیا، اور 1898 کے اوائل میں دوسرے محققین کے ذریعہ جمع کردہ اعداد و شمار کا حوالہ دیا۔ ریڈ فیلڈ کے تجرباتی اعداد و شمار کے تجزیے سے اسے پتہ چلا کہ تین سمندروں اور بحیرہ بیرنٹس کے پار اور اس کے اندر، سمندری پانی کا این: پی جوہری تناسب 20:1 کے قریب تھا (بعد میں اسے درست کر کے 16:1 کر دیا گیا)، اور یہ فائٹوپلانکٹن کے اوسط این: پی سے بہت ملتا جلتا تھا۔ اس رجحان کی وضاحت کے لیے، ریڈ فیلڈ نے ابتدائی طور پر دو باہمی غیر خصوصی میکانزم کی تجویز پیش کی: I) پلانکٹن میں N: P سمندری پانی کی N: P ساخت کی طرف مائل ہوتا ہے۔ خاص طور پر، مختلف این اور پی ضروریات کے ساتھ فائٹوپلانکٹن کی انواع ایک ہی میڈیم میں مقابلہ کرتی ہیں اور سمندری پانی کی غذائیت کی ساخت کی عکاسی کرتی ہیں۔ II) سمندری پانی اور پلانکٹونک غذائی اجزاء کے تالابوں کے درمیان توازن بائیوٹک فیڈ بیک میکانزم کے ذریعے برقرار رکھا جاتا ہے۔ ریڈ فیلڈ نے تھرموسٹیٹ جیسے منظر نامے کی تجویز پیش کی جس میں نائٹروجن فکسرز اور ڈینیٹریفائرز کی سرگرمیاں سمندری پانی میں نائٹریٹ اور فاسفیٹ کے تناسب کو پروٹوپلازم کی ضروریات کے قریب رکھتی ہیں۔ اس بات پر غور کرتے ہوئے کہ اس وقت "پروٹوپلازم" کی ساخت، یا فائٹوپلانکٹن کی بلک ساخت کے بارے میں بہت کم معلومات تھیں، ریڈ فیلڈ نے یہ بتانے کی کوشش نہیں کی کہ اس کا N: P تناسب تقریبا 16:1 کیوں ہونا چاہیے۔ 1958 میں، تناسب کو پہلی بار دریافت کرنے کے تقریبا ایک چوتھائی صدی بعد، ریڈ فیلڈ نے اپنے مخطوطات، دی بائیولوجیکل کنٹرول آف کیمیکل فیکٹرز ان دی انوائرمنٹ میں مؤخر الذکر میکانزم کی طرف جھکا۔ ریڈ فیلڈ نے تجویز پیش کی کہ پلانکٹن میں نائٹروجن اور فاسفورس کے تناسب کے نتیجے میں عالمی سمندر میں تحلیل شدہ نائٹریٹ اور فاسفیٹ کا تناسب نمایاں طور پر یکساں ہے (16:1)۔ انہوں نے اس بات پر غور کیا کہ نہ صرف N اور P بلکہ C اور O کے سائیکل اس میچ کے نتیجے میں کس طرح تعامل کر سکتے ہیں۔ وضاحت ریڈ فیلڈ نے گہرے سمندر کی کیمسٹری اور سطح سمندر میں فائٹوپلانکٹن جیسی زندہ چیزوں کی کیمسٹری کے درمیان قابل ذکر ہم آہنگی دریافت کی۔ دونوں میں ایٹموں کے لحاظ سے N: P کا تناسب تقریبا 16:1 ہے۔ جب غذائی اجزاء محدود نہیں ہوتے ہیں، تو زیادہ تر فائٹوپلانکٹن میں مولر عنصر کا تناسب C: N: P 106:16:1 ہوتا ہے۔ ریڈ فیلڈ کا خیال تھا کہ یہ خالصتا اتفاق نہیں تھا کہ وسیع سمندروں میں ایسی کیمسٹری ہوگی جو زندہ حیاتیات کی ضروریات کے لیے بالکل موزوں ہو۔ کنٹرول شدہ کیمیائی حالات کے تحت لیبارٹری کے تجربات سے پتہ چلا ہے کہ فائٹوپلانکٹن بائیو ماس ریڈ فیلڈ تناسب کے مطابق ہوگا یہاں تک کہ جب ماحولیاتی غذائی اجزاء کی سطح ان سے تجاوز کر جائے، یہ تجویز کرتا ہے کہ سمندری غذائی اجزاء کے تناسب کے لیے ماحولیاتی موافقت واحد گورننگ میکانزم نہیں ہے (ریڈ فیلڈ کی طرف سے ابتدائی طور پر تجویز کردہ میکانزم میں سے ایک کے برعکس)۔ تاہم، فیڈ بیک میکانزم کے بعد کے ماڈلنگ، خاص طور پر نائٹریٹ-فاسفورس جوڑے کے بہاؤ، بائیوٹک فیڈ بیک توازن کے ان کے مجوزہ طریقہ کار کی حمایت کرتے ہیں، حالانکہ یہ نتائج غذائیت کے بہاؤ کے بارے میں ہماری موجودہ تفہیم میں حدود کی وجہ سے الجھے ہوئے ہیں۔ سمندر میں بائیو ماس کا ایک بڑا حصہ نائٹروجن سے بھرپور پلانکٹن پایا جاتا ہے۔ ان میں سے بہت سے پلانکٹن دوسرے پلانکٹن بائیو ماس کے ذریعہ استعمال ہوتے ہیں جن کی کیمیائی ترکیبیں ایک جیسی ہوتی ہیں۔ اس کے نتیجے میں دنیا کے سمندروں میں موجود تمام پلانکٹن کے لیے اوسطا N: P کا تناسب ملتا ہے، جو تجرباتی طور پر اوسطا تقریبا 16:1 پایا جاتا ہے۔ جب یہ جاندار سمندر کے اندرونی حصے میں ڈوب جاتے ہیں تو ان کا بائیو ماس بیکٹیریا کے ذریعے کھایا جاتا ہے جو ایروبک حالات میں نامیاتی مادے کو آکسائڈائز کر کے تحلیل شدہ غیر نامیاتی غذائی اجزاء، خاص طور پر کاربن ڈائی آکسائیڈ، نائٹریٹ اور فاسفیٹ بناتے ہیں۔ یہ کہ تمام بڑے سمندری طاسوں کے اندرونی حصوں میں نائٹریٹ اور فاسفیٹ کا تناسب انتہائی مماثل ہے، ممکنہ طور پر سمندر کی گردش کے وقت کے مقابلے میں سمندر میں ان عناصر کے رہائش کے اوقات کی وجہ سے ہے، فاسفورس کے لیے تقریبا 100 000 سال اور نائٹروجن کے لیے 2000 سال۔ حقیقت یہ ہے کہ ان عناصر کی رہائش کا وقت سمندروں کے اختلاط کے اوقات (~ 1000 سال) سے زیادہ ہے جس کے نتیجے میں سمندر کے اندرونی حصے میں نائٹریٹ اور فاسفیٹ کا تناسب کافی یکساں رہ سکتا ہے۔ یہ دکھایا گیا ہے کہ فائٹوپلانکٹن اس تناسب کو برقرار رکھنے میں اہم کردار ادا کرتا ہے۔ جیسے جیسے نامیاتی مادے ڈوبتے ہیں نائٹریٹ اور فاسفیٹ دونوں ری منرلائزیشن کے ذریعے سمندر میں چھوڑے جاتے ہیں۔ مائکروجنزم ترجیحی طور پر فاسفیٹ کے بجائے نائٹریٹ میں آکسیجن استعمال کرتے ہیں جس کی وجہ سے گہرے سمندری پانی میں N: P کا تناسب 16:1 سے کم ہوتا ہے۔ وہاں سے، سمندر کے دھارے غذائی اجزاء کو سطح تک لے جاتے ہیں جہاں فائٹوپلانکٹن اضافی فاسفورس کو کھا جائے گا اور نائٹروجن فکسشن کے ذریعے N2 کا استعمال کرکے 16:1 کا N: P تناسب برقرار رکھے گا۔ اگرچہ اس طرح کے دلائل ممکنہ طور پر اس بات کی وضاحت کر سکتے ہیں کہ تناسب کافی مستقل کیوں ہیں، لیکن وہ اس سوال کو حل نہیں کرتے ہیں کہ N: P تناسب تقریبا 16 کیوں ہے اور کسی اور نمبر پر نہیں۔ استعمال اس تناسب کے نتیجے میں ہونے والی تحقیق سمندروں کے بائیو جیو کیمیکل چکروں کو سمجھنے میں ایک بنیادی خصوصیت بن گئی ہے، اور بائیو جیو کیمسٹری کے کلیدی اصولوں میں سے ایک ہے۔ ریڈ فیلڈ تناسب عالمی گردش کے ماڈلز میں کاربن اور غذائی اجزاء کے بہاؤ کا اندازہ لگانے میں اہم کردار ادا کرتا ہے۔ وہ اس بات کا تعین کرنے میں بھی مدد کرتے ہیں کہ کون سے غذائی اجزاء مقامی نظام میں محدود ہیں، اگر کوئی محدود غذائیت موجود ہے۔ اس تناسب کو مختلف خطوں کے درمیان تناسب کا موازنہ کرکے فائٹوپلانکٹن کے پھولوں کی تشکیل اور اس کے بعد ہائپوکسیا کو سمجھنے کے لیے بھی استعمال کیا جا سکتا ہے، جیسے کہ دریائے مسیسیپی کے ریڈ فیلڈ تناسب کا شمالی خلیج میکسیکو کے تناسب سے موازنہ۔ N: P کو کنٹرول کرنا ذخائر کے پائیدار انتظام کا ایک ذریعہ ہو سکتا ہے۔ یہ بھی ہو سکتا ہے کہ ریڈ فیلڈ تناسب زمینی پودوں، مٹی اور مٹی کے مائکروبیل بائیو ماس پر لاگو ہوتا ہے، جو زمینی ماحولیاتی نظام میں وسائل کو محدود کرنے کے بارے میں مطلع کرے گا۔ 2007 کے ایک مطالعے میں، مٹی اور مائکروبیل بائیو ماس میں عالمی پیمانے پر اوسطا بالترتیب 186:13:1 اور 60:7:1 کا مستقل C: N: P تناسب پایا گیا۔ کینونکل ریڈ فیلڈ تناسب سے انحراف ریڈ فیلڈ تناسب ابتدائی طور پر بحر اوقیانوس کے چند اسٹیشنوں سے جمع کیے گئے سمندری پانی کے نائٹریٹ اور فاسفیٹ کے مواد کے علاوہ پلانکٹن کی بنیادی ساخت کی پیمائش سے حاصل کیا گیا تھا۔ اس کی تائید بعد میں تحلیل شدہ نائٹریٹ اور فاسفیٹ کی سینکڑوں آزاد پیمائشوں نے کی۔ تاہم، نائٹروجن یا فاسفورس کی حد کے تحت اگائے جانے والے فائٹوپلانکٹن کی انفرادی انواع کی ساخت سے پتہ چلتا ہے کہ یہ N: P تناسب 6:1 سے 60:1 تک کہیں بھی مختلف ہو سکتا ہے۔ اس مسئلے کو سمجھتے ہوئے، ریڈ فیلڈ نے کبھی بھی اس کی وضاحت کرنے کی کوشش نہیں کی سوائے اس بات کے کہ سمندر کے اندرونی حصے میں غیر نامیاتی غذائی اجزاء کا N: P تناسب اوسط تھا جس میں چھوٹے پیمانے پر تغیر کی توقع کی جاتی تھی۔ اگرچہ گہرے سمندر میں ریڈ فیلڈ کا تناسب قابل ذکر طور پر مستحکم ہے، لیکن یہ وسیع پیمانے پر دکھایا گیا ہے کہ فائٹوپلانکٹن میں C: N: P ساخت میں بڑی تغیرات ہو سکتے ہیں، اور ان کی زندگی کی حکمت عملی C: N: P تناسب میں ایک کردار ادا کرتی ہے۔ اس تغیر نے کچھ محققین کو قیاس کرنے پر مجبور کر دیا ہے کہ ریڈ فیلڈ کا تناسب شاید جدید سمندر میں فائٹوپلانکٹن کی بنیادی خصوصیت کے بجائے ایک عمومی اوسط ہے، حالانکہ یہ بھی استدلال کیا گیا ہے کہ اس کا تعلق ہومیوسٹیٹک پروٹین سے آر آر این اے کے تناسب سے ہے جو بنیادی طور پر پروکیریوٹس اور یوکیریوٹس دونوں میں موجود ہے، جو اس کی سب سے عام ساخت ہونے میں معاون ہے۔ سی: این: پی تناسب میں مشاہدہ شدہ تغیر کے لیے کئی ممکنہ وضاحتیں ہیں۔ جس رفتار سے خلیہ بڑھتا ہے اس کا اثر خلیے کی ساخت اور اس طرح اس کے سٹوچیومیٹری پر پڑتا ہے۔ نیز، جب فاسفورس کی کمی ہوتی ہے، تو فائٹوپلانکٹن کمیونٹیز اپنے پی مواد کو کم کر سکتی ہیں، جس سے این: پی بڑھتا ہے۔ مزید برآں، مردہ فائٹوپلانکٹن اور ڈیٹریٹس کا جمع اور مقدار بعض غذائی ذرائع کی دستیابی کو متاثر کر سکتی ہے جو بدلے میں سیل کی ساخت کو متاثر کرتی ہے۔ کچھ ماحولیاتی نظاموں میں، ریڈ فیلڈ تناسب کو ماحولیاتی نظام میں موجود غالب فائٹوپلانکٹن ٹیکسا کے ذریعہ بھی نمایاں طور پر مختلف دکھایا گیا ہے، یہاں تک کہ وافر مقدار میں غذائی اجزاء والے نظاموں میں بھی۔ نتیجتا، نظام کے لیے مخصوص ریڈ فیلڈ تناسب پلانکٹن کمیونٹی ڈھانچے کے لیے ایک پراکسی کے طور پر کام کر سکتا ہے۔ رپورٹوں کے باوجود کہ سمندری خطے میں سمندری فائٹوپلانکٹن جیسے حیاتیات کی بنیادی ساخت کینونکل ریڈ فیلڈ تناسب کے مطابق نہیں ہے، اس تناسب کا بنیادی تصور درست اور مفید ہے۔ توسیعی ریڈ فیلڈ تناسب کچھ لوگوں کا خیال ہے کہ پوٹاشیم، سلفر، زنک، تانبے اور آئرن جیسے دیگر عناصر بھی ہیں جو سمندری کیمسٹری میں بھی اہم ہیں۔ خاص طور پر، لوہے (فی) کو بہت اہمیت کا حامل سمجھا جاتا تھا کیونکہ ابتدائی حیاتیاتی سمندروں کے ماہرین نے قیاس کیا تھا کہ لوہا بھی سمندر میں بنیادی پیداوار کے لیے ایک محدود عنصر ہو سکتا ہے۔ تب سے تجربات نے ثابت کیا ہے کہ آئرن بنیادی پیداوار کے لیے ایک محدود عنصر ہے۔ 64 مربع کلومیٹر کے رقبے میں لوہے سے بھرپور محلول شامل کیا گیا جس کی وجہ سے فائٹوپلانکٹن کی بنیادی پیداوار میں اضافہ ہوا۔ اس کے نتیجے میں اسے اس توازن کے حصے کے طور پر شامل کرنے کے لیے ایک توسیعی ریڈ فیلڈ تناسب تیار کیا گیا۔ یہ نیا سٹوچیومیٹرک تناسب بتاتا ہے کہ تناسب 106 سی: 16 این: 1 پی: 0.1-0.001 فی ہونا چاہیے۔ فی کے لیے بڑی تغیرات بحری جہازوں اور سائنسی آلات کی اہم رکاوٹ کا نتیجہ ہیں جو سمندر میں جمع کیے گئے کسی بھی نمونے کو اضافی فی سے آلودہ کرتے ہیں۔ یہ آلودگی ہی تھی جس کے نتیجے میں ابتدائی شواہد سے پتہ چلتا ہے کہ لوہے کی مقدار زیادہ تھی اور سمندری بنیادی پیداوار میں کوئی محدود عنصر نہیں تھی۔ ڈیاٹمز کو دیگر غذائی اجزاء کے علاوہ، سلیکک ایسڈ کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ ان کے فرسٹیولز (سیل والز) کے لیے بائیوجینک سلیکا تیار کیا جا سکے۔ اس کے نتیجے میں، ریڈ فیلڈ-برزنزکی غذائیت کا تناسب ڈائیٹموں کے لیے تجویز کیا گیا تھا اور اسے C: Si: N: P = 106:15:16:1 بتایا گیا تھا۔ بنیادی پیداوار سے آگے بڑھ کر، فائٹوپلانکٹن بائیو ماس کے ایروبک ریسپریشن کے ذریعے استعمال ہونے والی آکسیجن کو بھی دوسرے عناصر کے متوقع تناسب کی پیروی کرتے ہوئے دکھایا گیا ہے۔ O2: C تناسب 138:106 پر ماپا گیا ہے۔ ماحولیاتی سٹوچیومیٹری بائیو جیو کیمیکل سائیکل حوالہ جات جانسن، زیکری بھی دیکھیں۔ "بائیو جیو کیمسٹری IV"۔ یونیورسٹی آف ہوائی اسکول آف اوشین اینڈ ارتھ سائنس اینڈ ٹیکنالوجی۔ ویب سائٹ۔ <http://www.soest.hawaii.edu/oceanography/zij/ocn621/OCN621-20060215-biogeochemistry.pdf>۔ لینٹز، جینیفر۔ "نیوٹریئنٹ اسٹوچیومیٹری-ریڈ فیلڈ تناسب"۔ ایل ایس یو اسکول آف دی کوسٹ اینڈ انوائرمنٹ، 2010۔ ویب سائٹ۔ <http://www.sce.lsu.edu/cego/Documents/Reviews/Oceanography/Nutrient_Stoichiometry.pdf>۔ پی۔ جی۔ فالکوسکی، اور سی۔ ایس۔ ڈیوس۔ "میرین بائیوجیکیمیسٹری: ریڈفیلڈ ریٹوز پر"۔ سائنس ویک۔ نیچر، 2004۔ ویب سائٹ۔ <http://scienceweek.com/2004/sa041119-5.htm>۔ ماحولیات کا تناسب