Экосистема субтропического круговорота северной части Тихого океана

Северо -Тихоокеанский субтропический круговорот (NPSG) — крупнейшая смежная экосистема на Земле. В океанографии субтропический круговорот — это кольцеобразная система океанских течений, вращающихся по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном полушарии, вызванная эффектом Кориолиса . Обычно они образуются на больших территориях открытого океана, расположенных между массивами суши.

NPSG — самый большой из круговоротов, а также самая большая экосистема на нашей планете. Как и другие субтропические круговороты, в его центре находится зона высокого давления. Циркуляция вокруг центра происходит по часовой стрелке вокруг этой зоны высокого давления. Субтропические круговороты занимают 40% поверхности Земли и играют решающую роль в фиксации углерода и круговороте питательных веществ . Этот конкретный круговорот охватывает большую часть Тихого океана и включает в себя четыре преобладающих океанских течения: Северо-Тихоокеанское течение на севере, Калифорнийское течение на востоке, Северное экваториальное течение на юге и течение Куросио на западе. Большой размер и удаленность от берега привели к тому, что NPSG был плохо отобран и, следовательно, плохо изучен.

Основные океанские течения, связанные с Северо-Тихоокеанским круговоротом.

Жизненные процессы в экосистемах открытого океана являются поглотителем увеличивающегося в атмосфере количества CO ₂ . Круговороты составляют значительную часть, примерно 75%, того, что мы называем открытым океаном, или областью океана, не состоящей из прибрежных зон. Их считают олиготрофными или бедными питательными веществами, поскольку они находятся далеко от земного стока. Когда-то считалось, что эти регионы представляют собой однородную и статическую среду обитания. Однако появляется все больше свидетельств того, что NPSG демонстрирует значительную физическую, химическую и биологическую изменчивость в различных временных масштабах. В частности, NPSG демонстрирует сезонные и межгодовые колебания первичной продуктивности (просто определяемой как производство нового растительного материала), что важно для поглощения CO ₂ .

NPSG является не только поглотителем CO ₂ в атмосфере, но и других загрязнителей. В результате такой круговой структуры круговороты действуют как гигантские водовороты и становятся ловушками для антропогенных загрязнителей, таких как морской мусор . NPSG получил признание за большое количество пластикового мусора, плавающего прямо под поверхностью в центре круговорота. Эта область в последнее время привлекла большое внимание средств массовой информации, и ее обычно называют Большим Тихоокеанским мусорным пятном .

История открытия

Пробы из NPSG берутся нечасто из-за удаленности от побережья и нехватки морской жизни . Эти обширные и глубокие океанские воды, находящиеся вдали от влияния суши, исторически считались океаническим эквивалентом земных пустынь с низкими запасами биомассы и низкими темпами производства. Эта точка зрения основана на недостаточности всесторонних исследований мест обитания центральных круговоротов. За последние два десятилетия эти взгляды были поставлены под сомнение новым пониманием динамики NPSG.

HMS Challenger отправился в первую глобальную морскую исследовательскую экспедицию в 19 веке.

В первые дни морских исследований HMS Challenger (1872–1876) на пути из Иокогамы в Гонолулу собрал образцы растений и животных, а также многочисленные образцы морской воды. Целью этой экспедиции было определение химического состава морской воды и органического вещества во взвеси, изучение распространения и численности различных сообществ организмов. Мотивация изучения экосистем открытого океана со временем изменилась, тогда как сегодня более современные исследования сосредоточены на биоразнообразии и влиянии климата на динамику экосистем. Сегодня программа Гавайских временных рядов океана (HOT) собрала самый большой и наиболее полный набор экологических данных для NPSG, и планируется, что она будет продолжаться и в следующем тысячелетии . Такие программы, как HOT, опровергли гипотезу о том, что эта экосистема статична и однородна, обнаружив, что NPSG демонстрирует динамические сезонные закономерности, отделяющие ее от других систем открытого океана.

Физические характеристики

NPSG является крупнейшей средой обитания в открытом океане и считается крупнейшим смежным биомом Земли . Эта великая антициклоническая циркуляция простирается от 15° до 35° северной широты и от 135° восточной до 135° западной долготы. Площадь его поверхности составляет примерно 2 х 10 ⁷ км ² . Его западная часть, к западу от 180° долготы, имеет большую физическую изменчивость, чем восточная часть. Эта изменчивость, при которой разные погодные условия по-разному влияют на субрегионы, обусловлена ​​большими размерами этого круговорота.

Эта большая изменчивость вызвана дискретными водоворотами, почти инерционными движениями и внутренними приливами . Климатические модели, такие как Северо-Тихоокеанское круговоротное колебание (NPGO), Эль-Ниньо/Южное колебание (ENSO) и Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO), влияют на межгодовую изменчивость первичной продуктивности в NPSG. ДиЛоренцо и др., 2008 г. Эти условия могут оказывать глубокое воздействие на биологические процессы в этой среде обитания. они обладают способностью изменять температуру поверхности моря (SST), структуру хлорофилла, структуру питательных веществ, концентрацию кислорода, смешанного слоя глубину и, следовательно, несущую способность (количество жизни, которое может нести эта среда обитания) NPSG.

Цикл питательных веществ

низкой концентрацией питательных веществ и, следовательно, низкой плотностью живых организмов Поверхностные воды НПСГ характеризуются . Низкая биомасса приводит к образованию чистой воды, что позволяет фотосинтезу происходить на значительной глубине. NPSG классически описывается как двухуровневая система. На верхний слой с ограниченным содержанием питательных веществ приходится большая часть первичной продукции , поддерживаемой в основном переработанными питательными веществами. В нижнем слое питательные вещества более доступны, но фотосинтез ограничен светом.

В системах открытого океана биологическое производство зависит от интенсивной переработки питательных веществ в эвфотической (солнечной) зоне, причем лишь небольшая часть поддерживается за счет поступления «новых» питательных веществ. Раньше существовало мнение, что NPSG представляет собой морскую пустыню и что в эту систему обычно не добавляются «новые» питательные вещества. Перспектива изменилась, поскольку ученые начали лучше понимать эту среду обитания. Хотя довольно высокие темпы первичной продукции поддерживаются за счет быстрой переработки питательных веществ, физические процессы, такие как внутренние волны и приливы, циклонические мезомасштабные вихри , ветровая экмановская перекачка и атмосферные штормы, могут приносить новые питательные вещества.

Питательные вещества, которые не расходуются на поверхности, в конечном итоге опускаются на дно и питают среду обитания на морском дне. глубокие бентосные среды обитания океанских круговоротов обычно представляют собой одни из самых бедных продовольствием регионов на планете. Считалось, что Одним из источников питательных веществ для этой глубоководной океанской среды обитания является морской снег . Морской снег состоит из детрита, мертвого органического вещества, которое выпадает из поверхностных вод, где продуктивность самая высокая, и экспортирует углерод и азот из поверхностного смешанного слоя в глубокие слои океана. Данные о количестве морского снега на глубоком дне океана в этой большой экосистеме отсутствуют. Однако Пилскалн и др. обнаружили, что в NPSG количество морского снега было выше, чем ожидалось, и его удивительно можно было сравнить с глубокой прибрежной системой апвеллинга.

Более высокая питательная ценность может быть связана с матами Rhizosolenia, которые также играют важную роль в формировании морского снега в субтропических круговоротах. Как правило, это многовидовые ассоциации диатомовых водорослей Rhizosolenia. Этот более крупный фитопланктон может достигать размеров десятков сантиметров. Этих матов особенно много в NPSG. Их обилие в этой экосистеме предполагает более высокий поток питательных веществ в NPSG, чем предсказывалось в классических теориях.

Зоопланктон может переносить питательные вещества через разные вертикальные уровни океана.

Хотя по этому механизму азот транспортируется глубже, поверхностные воды потенциально отрезаны от этого источника. Азот должен быть доступен для жизни на поверхности. Чтобы объяснить недостаток азота на поверхности, существуют организмы, способные фиксировать азот в NPSG. Триходезмий — это один из видов, способных к фиксации азота, который встречается во многих цветениях поверхностного планктона. Азотфиксация — это процесс, при котором инертный N ₂ берется из атмосферы и превращается в соединение азота, доступное для использования организмами. Во многих олиготрофных морских экосистемах азотфиксация является распространенным источником азота.

Вертикально мигрирующий зоопланктон также может активно переносить питательные вещества в разные зоны водной толщи . Зоопланктон питается в поверхностных водах ночью, а затем днем ​​выделяет фекальные гранулы в средние воды, которые могут переносить C, N и P в более глубокие воды. В НПСГ сообщество зоопланктона не статично, а сезонно колеблется, в нем доминируют копеподы, эвфаузииды и хетогнаты.

Недавно классические теории о нехватке питательных веществ в NPSG были опровергнуты, а новые теории предполагают, что экосистема на самом деле динамична и характеризуется сильной сезонной, межгодовой и даже десятилетней изменчивостью. Он также считается очень чувствительным к изменению климата : ученые наблюдали увеличение расслоения водной толщи и снижение доступности неорганических питательных веществ. Эти изменения предполагаются в качестве движущих механизмов, которые меняют текущую тенденцию в структуре сообщества фитопланктона от эукариотических популяций к прокариотическим, поскольку эти более простые организмы могут выдерживать меньшее количество питательных веществ. Зоопланктон и фитопланктон составляют менее 10% живых организмов в этом регионе, и теперь хорошо документировано, что NPSG представляет собой «микробную экосистему».

Микробное сообщество

Микробные организмы составляют большинство первичных продуцентов в NPSG. Они автотрофны , то есть захватывают себе «пищу» из солнечного света и химических веществ, включая _CO2 . Эти организмы составляют основу пищевой цепи , и поэтому их присутствие в экосистеме имеет фундаментальное значение. В NPSG первичная продуктивность часто описывается как низкая.

До 1978 года ученые выдвигали гипотезу, что диатомовые водоросли доминируют в популяциях планктона в NPSG. Ожидалось, что основными потребителями будут относительно крупные мезозоопланктон. Сейчас хорошо известно, что большинство водорослей в NPSG на самом деле являются бактериями (одноклеточными организмами), в которых преобладают цианобактерии или сине-зеленые водоросли . Эти простые организмы составляют большую часть постоянного запаса фотосинтезирующей морской жизни в этой экосистеме. Ученые также недавно обнаружили в NPSG гены архей (также одноклеточного микроорганизма , но больше похожего на эукариот, чем на бактерии), что позволяет предположить, что в этой среде обитания существует дополнительное разнообразие. В этом круговороте может существовать множество микроорганизмов, поскольку небольшой размер тела имеет конкурентное преимущество в океане при приобретении ресурсов (света и питательных веществ). С современной точки зрения NPSG, микробная пищевая сеть всегда присутствует, тогда как более крупная пищевая цепь эукариот-травянистых растений является сезонной и эфемерной.

Эукариотическое планктонное сообщество

Фитопланктон — это форма эукариотического планктона, обитающая в океанах.

Эукариотический планктон в круговороте зависит от «новых» питательных веществ, поступающих в результате физических погодных условий. Классическая двухслойная модель, обсуждавшаяся в предыдущих разделах, считает, что верхний слой эквивалентен «прялке» с небольшим экспортом питательных веществ, поскольку они постоянно перерабатываются. Эта модель не позволяет вводить новые питательные вещества, что проблематично, поскольку это сделает невозможным быстрый рост или цветение фитопланктона. Несмотря на постоянное ограничение питательных веществ в верхней части, биомасса планктона и темпы первичной продукции имеют значительную временную изменчивость и действительно вызывают цветение в NPSG.

Эту межгодовую изменчивость объясняют изменениями в снабжении питательными веществами верхних слоев океана, вызванными физическими изменениями, вызванными ЭНСО и PDO. Основываясь на новых данных, теперь становится ясно, что нынешние темпы первичной продукции в этих регионах с низким содержанием питательных веществ намного выше, чем считалось, и могут значительно варьироваться во временных масштабах - от ежедневных до междесятилетних. Весной иногда наблюдается быстрый рост поверхностного фитопланктона в сочетании с циклоническими мезомасштабными вихрями или интенсивными атмосферными возмущениями - оба физических процесса, которые приносят новые питательные вещества. Летом цветение наблюдается более регулярно, и в нем обычно преобладают диатомеи и цианобактерии. Такое регулярное летнее цветение может быть вызвано изменениями в PDO. Летнее цветение наблюдалось в этих водах с тех пор, как их часто посещали исследовательские суда. Все эти цветения были замечены в восточной части NSPG, и ни одно из них не было зарегистрировано к западу от 160° з.д. Гипотезы, объясняющие это явление, заключаются в том, что круговорот характеризуется низким содержанием фосфатов, но что в области цветения восточного NPSG концентрации фосфатов значительно выше, чем в западном.

Вариации первичного производства в NPSG могут существенно повлиять на круговорот питательных веществ, динамику пищевой сети и глобальные потоки элементов. Распределение пелагических первичных продуцентов по размерам определяет как состав, так и величину экспорта питательных веществ в более глубокие воды. Это, в свою очередь, влияет на сообщества, живущие в более глубоких водах этой системы.

Мезопелагическое сообщество

Мезопелагическую зону иногда называют сумеречной зоной; она простирается от 200 м до примерно 1000 м. В более глубоких слоях NPSG виды, находящиеся на более высоких уровнях пищевой цепи, будут мигрировать вертикально или горизонтально внутри круговорота или внутри него и из него. Судя по анализу сообщества зоопланктона, центральная часть северной части Тихого океана отличается высоким видовым разнообразием (или большим количеством видов) и высокой справедливостью (что означает относительно одинаковое количество каждого вида). Также отмечается низкая степень сезонной изменчивости плотности зоопланктона.

Исследования мезопелагических рыб центральных субтропических вод малочисленны. Немногие существующие исследования показали, что мезопелагические виды рыб неравномерно распространены в субтропическом Тихом океане. Их географические ареалы соответствуют закономерностям, демонстрируемым зоопланктоном. Некоторые из обнаруженных видов обитают в этих центральных круговоротах с низкой продуктивностью. Среди наиболее широко представленных семейств рыб — Mytophids, Gonostomatids, Photichthyids, Sternoptychids и Melamphaids. Наше понимание мезопелагического сообщества NPSG страдает от недостаточности данных из-за сложности доступа к более глубоким зонам этой системы.

Бентосное сообщество

Самым глубоким сообществом NPSG является бентосное сообщество. На глубине круговорота лежит морское дно из мелкозернистых глинистых отложений. Этот осадок является домом для сообщества организмов, которые обычно получают питательные вещества в виде «дождя» продуктивности, опадающего сверху. На глубине под круговоротом находится одна из самых бедных пищей областей на планете, которая, следовательно, поддерживает очень низкую плотность и биомассу донной инфауны или животных, обитающих в отложениях. В самих отложениях количество питательных веществ, включая углерод, хлорофилл и азот, обычно уменьшается с глубиной. Плотность донной инфауны соответствует этой схеме питания. Инфауна обычно встречается в более мелких слоях отложений, где находится граница раздела осадочных пород и воды , и ее количество обычно уменьшается с увеличением глубины отложений. Бактерии в отложениях демонстрируют эту закономерность, а также макрофауну (инфаунистические организмы >0,5 мм), в которой преобладают агглютинирующие (мягкотелые) фораминиферы и нематоды. Другая известная макрофауна, обнаруженная в отложениях, - это известковые фораминиферы, копеподы, полихеты и двустворчатые моллюски. Эти донные организмы в значительной степени зависят от поставок питательных веществ, которые оседают на морском дне. Любое изменение первичной продукции на поверхности может представлять серьезную угрозу для этих организмов, а также вызывать другие потенциальные негативные последствия для других частей NPSG.

Будущее и значение NPSG

Пластиковый мусор выброшен на берег Тихого океана

До недавнего времени NPSG считалась статичной частью обширной глобальной морской пустыни. Недавние открытия доказали, что эта система динамична и содержит физическую, химическую и биологическую изменчивость в различных временных масштабах. В связи с нынешним изменением климата характер атмосферы меняется и вызывает изменения в первичном производстве в NPSG. Вариации первичной продуктивности могут повлиять на углеродный цикл океана и, возможно, на атмосферный CO ₂ и на климат, поскольку такие вариации могут изменить количество углерода, хранящегося в подземных слоях океанов. Поскольку NPSG является крупнейшим непрерывным биомом на Земле, он важен не только для сообщества организмов, но и для остальной части планеты.

NPSG привлекла к себе пристальное внимание из-за еще одной проблемы, с которой она сталкивается в настоящее время. Вихревые эффекты круговорота удерживают загрязняющие вещества в его центре. Если загрязняющее вещество попадает в поток, направляющийся к круговороту, оно будет оставаться там на неопределенный срок или в течение всего срока службы загрязняющего вещества. Одним из таких загрязнителей, который является стойким и распространенным в NPSG, является пластиковый мусор. NPSG сбрасывает обломки в свою центральную зону. Это явление недавно дало этому круговороту прозвище «Тихоокеанское мусорное пятно». Среднее количество и вес кусков пластика в этом районе в настоящее время являются самыми высокими в Тихом океане. Ходят слухи, что этот пластиковый «суп» имеет размеры от Техаса до размеров США. С ростом интереса к загрязнению окружающей среды и изменению климата NPSG привлекла к себе больше внимания. Важно, чтобы наши знания об этой системе продолжали расширяться по этим причинам, а также исключительно для понимания крупнейшей экосистемы в мире.

См. также

• Пластисфера

Источники

• Барнетт, Массачусетс (1984). «Мезопелагическая зоогеография рыб в центральной тропической и субтропической части Тихого океана: видовой состав и структура в репрезентативных местах трех экосистем». Морская биология . 82 (2): 199–208. Бибкод : 1984MarBi..82..199B . дои : 10.1007/BF00394103 . S2CID   86221172 .
• Брикс Х., Грубер Н., Карл Д. и Н. Бейтс. 2006. «О взаимосвязи между первичным, чистым сообществом и экспортным производством в субтропических круговоротах». Глубоководные исследования. Часть II. (53) 698–717.
• Корно Г., Карл Д., Чёрч М., Летелье Р., Лукас Р., Бидигар Р. и М. Эбботт. 2007. «Воздействие климата на экосистемные процессы в субтропическом круговороте северной части Тихого океана». Журнал геофизических исследований . (112) 1–14.
• ДиЛоренцо Э., Шнайдер, Н., Кобб, К., Фрэнкс, П., Чхак, К., Миллер, А., МакВильямс, Дж., Боград, С., Аранго, Х., Курчицер, Э., Пауэлл , Т. и П. Ривьер. 2008. Норт «Колебания тихоокеанского круговорота связывают климат океана и изменение экосистемы». Письма о геофизических исследованиях . (35) 1–6.
• Доре, Дж. Э.; Летелье, РМ; Черч, MJ; Лукас, Р.; Карл, DM (2008). «Летнее цветение фитопланктона в олиготрофном субтропическом круговороте северной части Тихого океана: историческая перспектива и недавние наблюдения». Прогресс в океанографии . 76 (1): 2–38. Бибкод : 2008Proce..76....2D . дои : 10.1016/j.pocean.2007.10.002 .
• Даннинг, Брайан (16 декабря 2008 г.). «Скептоид № 132: Саргассово море и Тихоокеанское мусорное пятно» . Скептоид .
• Ханнидес, CCS; Лэндри, MR; Бенитес-Нельсон, ЧР ; Стили, РЭМ; Монтойя, Япония; Карл, DM (2009). «Экспортная стехиометрия и поток фосфора, опосредованный мигрантами, в субтропическом круговороте северной части Тихого океана». Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 56 (1): 73–88. Бибкод : 2009DSRI...56...73H . дои : 10.1016/j.dsr.2008.08.003 .
• Карл, DM (1999). «Миниобзоры: Море перемен: биогеохимическая изменчивость субтропического круговорота северной части Тихого океана» (PDF) . Экосистемы . 2 (3): 181–214. Бибкод : 1999Экоши...2..181К . дои : 10.1007/s100219900068 . JSTOR   3658829 . S2CID   46309501 .
• Карл, DM; Лукас, Р. (1996). «Программа временных рядов океана на Гавайях (HOT): предыстория, обоснование и реализация на местах». Глубоководные исследования. Часть II: Актуальные исследования в океанографии . 43 (2–3): 129. Бибкод : 1996DSRII..43..129K . дои : 10.1016/0967-0645(96)00005-7 .
• Карл, DM; Бидигаре, Р.Р.; Летелье, РМ (2002). «Устойчивая и апериодическая изменчивость производства органических веществ и структуры фототрофного микробного сообщества в субтропическом круговороте северной части Тихого океана». Продуктивность фитопланктона . п. 222. дои : 10.1002/9780470995204.ch9 . ISBN  978-0470995204 .
• Мур К., Мур С., Ликастер М. и С. Вайсберг. 2001. «Сравнение пластика и планктона в центральном круговороте северной части Тихого океана». Бюллетень о загрязнении морской среды . (42) номера страниц.
• Николсон, Дэвид; Эмерсон, Стивен; Эриксен, Чарльз К. (2008). «Чистая продукция сообщества в глубокой эвфотической зоне субтропического круговорота северной части Тихого океана по данным планерных исследований» (PDF) . Лимнология и океанография . 53 (5 Часть 2): 2226–2236. Бибкод : 2008LimOc..53.2226N . дои : 10.4319/lo.2008.53.5_part_2.2226 . Проверено 11 ноября 2017 г.
• Пилскалн, Швейцария; Вильярреал, штат Техас; Деннетт, М.; Дарканджело-Вуд, К.; Медоуз, Г. (2005). «Высокие концентрации морского снега и матов диатомовых водорослей в субтропическом круговороте северной части Тихого океана: последствия для циклов углерода и азота в олиготрофном океане». Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 52 (12): 2315. Бибкод : 2005DSRI...52.2315P . дои : 10.1016/j.dsr.2005.08.004 . hdl : 1912/404 .
• Порецкий, Р.С.; Хьюсон, И.; Солнце, С.; Аллен, А.Е.; Зер, JP; Моран, Массачусетс (2009). «Сравнительный дневной и ночной метатранскриптомный анализ микробных сообществ в субтропическом круговороте северной части Тихого океана». Экологическая микробиология . 11 (6): 1358–1375. Бибкод : 2009EnvMi..11.1358P . дои : 10.1111/j.1462-2920.2008.01863.x . ПМИД   19207571 .
• Шуленбергер Э.; Хесслер, Р.Р. (1974). «Очистка абиссальных донных амфипод, попавших в ловушку под олиготрофными водами круговорота центральной части северной части Тихого океана». Морская биология . 28 (3): 185. Бибкод : 1974МарБи..28..185С . дои : 10.1007/BF00387296 . S2CID   84095171 .
• Смит, КЛ; Болдуин, Р.Дж.; Карл, DM; Боэций, А. (2002). «Реакция бентического сообщества на зернобобовые в пелагических источниках пищи: субтропический круговорот северной части Тихого океана». Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 49 (6): 971. Бибкод : 2002DSRI...49..971S . дои : 10.1016/S0967-0637(02)00006-7 .