Экосистема субтропического круговорота северной части Тихого океана - Ecosystem of the North Pacific Subtropical Gyre

Северной части Тихого океана субтропического круговорота (NPSG) является крупнейшей смежной экосистема на Земле. В океанографии , А субтропический круговорот представляет собой кольцо, как система океанических течений вращающихся по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном полушарии , вызванным Кориолис эффектом . Как правило, они образуются на обширных территориях открытого океана, которые лежат между массами суши.

NPSG - это самый большой круговорот, а также самая большая экосистема на нашей планете. Как и у других субтропических круговоротов, в его центре находится зона высокого давления. Циркуляция вокруг центра происходит по часовой стрелке вокруг этой зоны высокого давления. Субтропические круговороты составляют 40% поверхности Земли и играют важную роль в фиксации углерода и круговороте питательных веществ. Этот круговорот покрывает большую часть Тихого океана и включает четыре преобладающих океанских течения: Северо-Тихоокеанское течение на севере, Калифорнийское течение на востоке, Северное экваториальное течение на юге и течение Куросио на западе. Его большой размер и удаленность от берега привели к тому, что пробы NPSG были плохо отобраны и, следовательно, плохо изучены.

Основные океанические течения, связанные с круговоротом северной части Тихого океана

Жизненные процессы в экосистемах открытого океана являются стоком для увеличивающегося в атмосфере CO.
2. Круговороты составляют значительную часть, примерно 75% того, что мы называем открытым океаном, или областью океана, не состоящей из прибрежных областей. Их считают олиготрофными или бедными питательными веществами, потому что они далеки от наземного стока. Когда-то эти регионы считались однородными и статичными средами обитания. Однако появляется все больше свидетельств того, что NPSG демонстрирует существенную 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 - это не только сток для CO.
2в атмосфере, но и другие загрязнители. В результате этого кругового движения 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. Этот район в последнее время привлек большое внимание средств массовой информации и обычно называется Большим тихоокеанским мусорным пятном .

История открытия

NPSG не часто отбирают из-за удаленности от побережья и нехватки морской флоры и фауны . Эти обширные и глубокие океанические воды, удаленные от влияния суши, исторически считались океаническим эквивалентом наземных пустынь с низкими запасами биомассы и низкими темпами производства. Эта точка зрения вытекает из недостаточного количества всесторонних исследований местообитаний центральных круговоротов. За последние два десятилетия эти взгляды были оспорены 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 своем пути от Иокогамы до Гонолулу собирал образцы растений и животных, а также многочисленные образцы морской воды. Целью этой экспедиции было определение химического состава морской воды и органического вещества во взвешенном состоянии, а также изучение распределения и численности различных сообществ организмов. Мотивация к изучению экосистем открытого океана со временем изменилась, в то время как сегодня более современные исследования сосредоточены на биоразнообразии и влиянии климата на динамику экосистемы. Сегодня программа временных рядов Гавайского океана (HOT) собрала самый большой и наиболее полный набор экологических данных для NPSG, и ее планируется продолжить 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 из сред обитания в открытом океане и считается крупнейшим непрерывным биомом Земли . Эта грандиозная антициклоническая циркуляция простирается от 15 ° до 35 ° северной широты и от 135 ° до 135 ° западной долготы. Площадь его поверхности составляет примерно 2 x 10 7  км 2 . Его западная часть, к западу от 180 ° долготы, имеет большую физическую изменчивость, чем восточная часть. Эта изменчивость, когда разные погодные условия по-разному влияют на субрегионы, объясняется большими размерами этого круговорота.

Эта большая изменчивость вызвана дискретными вихрями, почти инерционными движениями и внутренними приливами . Климатические модели, такие как круговорот в северной части Тихого океана (NPGO), Эль-Ниньо / южное колебание (ENSO) и Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO), влияют на межгодовую изменчивость первичной продуктивности в NPSG. DiLorenzo et al., 2008. Эти условия могут иметь глубокое влияние на биологические процессы в этой среде обитания, они обладают способностью изменять температуру поверхности моря (SST), структуру хлорофилла, структуру питательных веществ, концентрацию кислорода, глубину смешанного слоя и, следовательно, пропускную способность. (количество жизни, которое может вместить эта среда обитания) NPSG.

Круговорот питательных веществ

Низкие концентрации биогенных веществ и, следовательно, низкая плотность живых организмов характеризуют поверхностные воды НПС. Низкая биомасса приводит к чистой воде, позволяя 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. Нижний слой имеет более доступные питательные вещества, но фотосинтез ограничен светом.

В системах открытого океана биологическое производство зависит от интенсивной рециркуляции питательных веществ в эвфотической (залитой солнцем) зоне, при этом лишь небольшая часть поддерживается поступлением «новых» питательных веществ. Ранее существовало мнение, что NPSG представляет собой морскую пустыню и что «новые» питательные вещества обычно не добавляются в эту систему. Мнение изменилось, поскольку ученые начали лучше понимать эту среду обитания. Хотя довольно высокие темпы первичной продукции поддерживаются за счет быстрой рециркуляции питательных веществ, физические процессы, такие как внутренние волны и приливы, циклонические мезомасштабные водовороты , ветровая откачка Экмана и атмосферные штормы, могут нести новые питательные вещества.

Питательные вещества, которые не попадают на поверхность, в конечном итоге оседают и питают среду обитания на морском дне. Считается, что глубокие бентические среды обитания океанических круговоротов обычно представляют собой одни из самых бедных с пищей регионов на планете. Одним из источников питательных веществ в этой глубоководной среде обитания океана является морской снег . Морской снег состоит из детрита, мертвого органического вещества, которое падает из поверхностных вод, где продуктивность наиболее высока, и переносит углерод и азот из поверхностного смешанного слоя в глубокие океанские глубины. В этой большой экосистеме отсутствуют данные о количестве морского снега на глубоководном дне океана . Однако Pilskaln et al. обнаружили, что в NPSG количество морского снега было больше, чем ожидалось, и было удивительно сопоставимо с системой глубокого прибрежного 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 видов диатомовых Rhizosolenia. Этот более крупный фитопланктон может достигать размеров до 10 сантиметров. Этих матов особенно много в НПС. Их изобилие в этой экосистеме предполагает более высокий приток питательных веществ в NPSG, чем предполагалось в классических теориях.

Зоопланктон может переносить питательные вещества через разные вертикальные уровни океана.

Хотя этот механизм переносит азот на большую глубину, поверхностные воды потенциально отрезаны от этого источника. Азот должен быть доступен для жизни на поверхности. Чтобы объяснить этот недостаток азота на поверхности, существуют организмы, способные фиксировать азот в NPSG. Триходесмий - это один из видов, способных фиксировать азот, который встречается во многих цветениях поверхностного планктона. Фиксация азота - это процесс, при котором инертный N 2 извлекается из атмосферы и превращается в азотное соединение, доступное для использования организмами. Во многих олиготрофных морских экосистемах азотфиксация является обычным 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 слои воды, которые могут переносить C, N и P в более глубокие воды. В NPSG сообщество зоопланктона не статично, а колеблется в зависимости от сезона, и в нем преобладают веслоногие рачки, эвфаузииды и хетогнаты.

Недавно классические теории о нехватке питательных веществ в NPSG были опровергнуты, и новые теории предполагают, что экосистема на самом деле динамична и характеризуется сильной сезонной, межгодовой и даже десятилетней изменчивостью. Ученые также считают, что она очень чувствительна к изменению климата. наблюдалось увеличение стратификации водной толщи и снижение доступности неорганических питательных веществ. Эти изменения предлагаются в качестве движущих механизмов, которые изменяют текущую тенденцию в структуре сообщества фитопланктона с эукариотических популяций на прокариотические, поскольку эти более простые организмы могут выдерживать меньшее поступление питательных веществ. Зоопланктон и фитопланктон составляют менее 10% живых организмов в этом регионе, и в настоящее время хорошо задокументировано, что NPSG является «микробной экосистемой».

Микробное сообщество

Микробные организмы составляют большинство основных продуцентов в НПС. Они автотрофны , что означает, что они захватывают свою собственную «пищу» из солнечного света и химических веществ, включая CO.
2. 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 выдвинули гипотезу, что диатомовые водоросли преобладали в популяциях планктона в NPSG. Предполагалось, что первичными потребителями будет относительно крупный мезозоопланктон. Сейчас хорошо известно, что большинство водорослей в NPSG на самом деле являются бактериями (одноклеточными организмами), среди которых преобладают цианобактерии или сине-зеленые водоросли . Эти простые организмы составляют большую часть постоянного запаса фотосинтезирующих морских обитателей в этой экосистеме. Ученые также недавно обнаружили гены архей (также одноклеточных микроорганизмов , но больше похожих на эукариот, чем на бактерии) в NPSG, предполагая, что в этой среде обитания существует дополнительное разнообразие. Многие микроорганизмы могут существовать в этом круговороте, потому что небольшой размер тела имеет конкурентное преимущество в океане для получения ресурсов (света и питательных веществ). С современной точки зрения NPSG, микробная пищевая сеть присутствует всегда, тогда как более крупная пищевая цепь эукариот-травоядная носит сезонный и эфемерный характер.

Сообщество эукариотического планктона

Фитопланктон - это форма эукариотического планктона, обитающего в океанах.

Планктон эукариот в круговороте зависит от «новых» питательных веществ, поступающих в результате физических погодных условий. В классической двухслойной модели, рассмотренной в предыдущих разделах, верхний слой рассматривается как «вращающееся колесо» с небольшим экспортом питательных веществ, поскольку они постоянно перерабатываются. Эта модель не учитывает ввод новых питательных веществ, что проблематично, поскольку это сделало бы невозможным быстрое увеличение или цветение фитопланктона. Несмотря на постоянно присутствующее ограничение по питательным веществам в верхней части, биомасса планктона и скорость первичной продукции имеют значительную временную изменчивость и действительно вызывают цветение в NPSG.

Эта межгодовая изменчивость была приписана изменениям в снабжении питательными веществами верхних слоев океана, происходящим из-за физических изменений, вызванных ENSO и PDO. Основываясь на новых данных, теперь выясняется, что нынешние темпы первичной продукции в этих регионах с низким содержанием питательных веществ намного выше, чем считалось ранее, и могут значительно варьироваться во временных масштабах от суточных до междесятилетних. Весной иногда наблюдается быстрое увеличение поверхностного фитопланктона в связи с циклоническими мезомасштабными вихрями или интенсивными атмосферными возмущениями - оба физических процесса, которые приносят новые питательные вещества. Летом цветение наблюдается более регулярно и, как правило, преобладают диатомовые водоросли и цианобактерии. Это регулярное летнее цветение может быть вызвано вариациями PDO. Летнее цветение в этих водах наблюдается с тех пор, как их посещают исследовательские суда. Все эти цветения наблюдались в восточной части NSPG, а к западу от 160 ° з. концентрации фосфатов, чем западные.

Вариации первичной продукции в NPSG могут существенно повлиять на круговорот питательных веществ, динамику пищевой сети и глобальные потоки элементов. Гранулометрический состав пелагических первичных продуцентов определяет как состав, так и количество выносимых питательных веществ в более глубокие воды. Это, в свою очередь, влияет на сообщества, которые живут в более глубоких водах этой системы.

Мезопелагическое сообщество

Мезопелагические зона иногда называют сумеречную зону; он простирается от 200 м до 1000 м. В более глубоких слоях NPSG виды, находящиеся выше в пищевой цепи, будут мигрировать вертикально или горизонтально в круговороте, в него и из него. Основываясь на анализе сообщества зоопланктона, центральная часть северной части Тихого океана отличается высоким видовым разнообразием (или большим количеством видов) и высокой равномерностью (что означает, что существует относительно равное количество каждого из них). Также существует низкая степень сезонной изменчивости плотности зоопланктона.

Исследования мезопелагических рыб центральных субтропических вод немногочисленны. Немногочисленные существующие исследования показали, что мезопелагические виды рыб неравномерно распространены в субтропическом Тихом океане. Их географические ареалы соответствуют моделям, показанным зоопланктоном. Некоторые из найденных видов ограничены этими низкопродуктивными центральными круговоротами. Некоторые из широко представленных семейств рыб - это Mytophids, Gonostomatids, Photichthyids, Sternoptychids и Melamphaids. Наше понимание мезопелагического сообщества NPSG страдает от недостатка данных из-за трудности доступа к более глубоким зонам этой системы.

Бентическое сообщество

Самое глубокое сообщество в NPSG - это бентическое сообщество. В глубине круговорота залегает морское дно из мелкозернистых глинистых отложений. Этот осадок является домом для сообщества организмов, которые обычно получают свои питательные вещества в виде «дождя» продуктивности, опускающегося сверху. На глубине под круговоротом находится одна из самых бедных с пищей областей на планете, поэтому здесь очень низкая плотность и биомасса бентосной инфауны или животных, обитающих в отложениях. В самих отложениях содержание питательных веществ, включая углерод, хлорофилл и азот, обычно уменьшается с глубиной. Плотность придонной инфауны соответствует этой структуре питательных веществ. Инфауны обычно встречаются в более мелких слоях отложений, где находится граница раздела донные отложения и воды, и обычно их количество уменьшается с увеличением глубины в отложениях. Бактерии в отложениях демонстрируют эту картину, а также макрофауна (инфаунистические организмы> 0,5 мм), в которых преобладают агглютинирующие (мягкотелые) фораминиферы и нематоды. Другая известная макрофауна, обнаруженная в отложениях, - это известковые фораминиферы, веслоногие рачки, полихеты и двустворчатые моллюски. Эти бентические организмы в значительной степени зависят от поступления питательных веществ, которые оседают на морском дне. Любое изменение первичной продукции на поверхности может создать серьезную угрозу для этих организмов, а также вызвать другие потенциальные негативные последствия для других частей NPSG.

Будущее и значение NPSG

Пластиковый мусор, выброшенный на берег из 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 во множестве временных масштабов. В связи с текущим изменением климата закономерности в атмосфере меняются и вызывают изменения в первичной продукции в NPSG. Изменения в первичной продуктивности могут повлиять на углеродный цикл океана и, возможно, на содержание CO в атмосфере.
2и климат, потому что такие колебания могут изменить количество углерода, хранящегося в приповерхностных слоях океанов. Поскольку NPSG является крупнейшим непрерывным биомом на Земле, он важен не только для сообщества организмов, но и для всей планеты.

NPSG привлекла к себе пристальное внимание из-за другой проблемы, с которой она в настоящее время сталкивается. Вихревые эффекты круговорота служат для удержания загрязняющих веществ в его центре. Если загрязняющее вещество попадает в ловушку в потоке, который движется к круговороту, он будет оставаться там бесконечно или до тех пор, пока существует жизнь загрязняющего вещества. Одним из таких стойких и распространенных загрязнителей в NPSG является пластиковый мусор. НПС забрасывает обломки в центральную зону. Это явление недавно дало этому круговороту прозвище «Тихоокеанский мусорный полигон». Среднее количество и вес пластиковых частей в этом районе в настоящее время являются самыми большими, наблюдаемыми в Тихом океане. Ходят слухи, что этот пластиковый «суп» размером от Техаса до США. С ростом интереса к загрязнению и изменению климата NPSG привлекла все больше внимания. Важно, чтобы наши знания об этой системе продолжали развиваться по этим причинам, а также исключительно для понимания самой большой экосистемы в мире.

Смотрите также

использованная литература

Источники

  • Барнетт, Массачусетс (1984). «Зоогеография мезопелагических рыб в центральной тропической и субтропической частях Тихого океана: видовой состав и структура в репрезентативных местах в трех экосистемах». Морская биология . 82 (2): 199–208. DOI : 10.1007 / BF00394103 .
  • Брикс, Х., Грубер, Н., Карл, Д., и Н. Бейтс. 2006. О взаимосвязи между первичным, сетевым сообществом и экспортной продукцией в субтропических круговоротах. Глубоководные исследования. Часть II. (53) 698-717.
  • Корно, Г., Карл, Д., Черч, М., Летелье, Р., Лукас, Р., Бидигар, Р. и М. Эбботт. 2007. Воздействие климатического воздействия 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. North Pacific Gyre Oscillations связывает климат океана и изменение экосистемы. Письма о геофизических исследованиях . (35) 1-6.
  • Доре, Дж. Э .; Летелье, РМ; Церковь, 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 : 2–38. DOI : 10.1016 / j.pocean.2007.10.002 .
  • Hannides, CCS; Ландри, MR; Бенитес-Нельсон, CR ; Стили, REM; Монтойя, JP; Карл, DM (2009). «Экспортная стехиометрия и поток фосфора, опосредованный мигрантами в субтропическом круговороте северной части Тихого океана». Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers . 56 : 73–88. DOI : 10.1016 / j.dsr.2008.08.003 .
  • Карл, DM (1999). «Мини-обзоры: Море перемен: биогеохимическая изменчивость в субтропическом круговороте северной части Тихого океана» (PDF) . Экосистемы . 2 (3): 181–214. DOI : 10.1007 / s100219900068 . JSTOR  3658829 .
  • Карл, DM; Лукас, Р. (1996). «Программа временного ряда Гавайских океанов (HOT): предыстория, обоснование и практическая реализация». Deep-Sea Research Part II: Актуальные исследования в океанографии . 43 (2-3): 129. DOI : 10,1016 / 0967-0645 (96) 00005-7 .
  • Карл, DM; Bidigare, RR; Летелье, RM (2002). «Устойчивая и апериодическая изменчивость в производстве органических веществ и структура фототрофного микробного сообщества в субтропическом круговороте северной части Тихого океана». Продуктивность фитопланктона . п. 222. DOI : 10.1002 / 9780470995204.ch9 . ISBN 9780470995204.
  • Мур К., Мур С., Ликастер М. и С. Вейсберг. 2001. Сравнение пластика и планктона в центральном круговороте северной части Тихого океана. Бюллетень загрязнения морской среды . (42) номера страниц.
  • Николсон, Дэвид; Эмерсон, Стивен; Эриксен, Чарльз К. (2008). «Сетевое производство сообщества в глубокой эвфотической зоне субтропического круговорота в северной части Тихого океана по данным планерных исследований» (PDF) . Лимнология и океанография . 53 (5 часть 2): 2226–2236. DOI : 10,4319 / lo.2008.53.5_part_2.2226 . Проверено 11 ноября 2017 года .
  • Pilskaln, CH; Вильярреал, штат Техас; Dennett, M ​​.; Darkangelo-Wood, C .; Медоуз, Г. (2005). «Высокая концентрация морского снега и матов диатомовых водорослей в субтропическом круговороте северной части Тихого океана: влияние на циклы углерода и азота в олиготрофном океане». Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers . 52 (12): 2315. DOI : 10.1016 / j.dsr.2005.08.004 . hdl : 1912/404 .
  • Порецкий, РС; Hewson, I .; Sun, S .; Аллен, AE; Zehr, JP; Моран, Массачусетс (2009). «Сравнительный метатранскриптомический анализ день / ночь микробных сообществ в субтропическом круговороте северной части Тихого океана». Экологическая микробиология . 11 (6): 1358–75. DOI : 10.1111 / j.1462-2920.2008.01863.x . PMID  19207571 .
  • Shulenberger, E .; Хесслер, Р.Р. (1974). «Падшие глубоководные бентосные амфиподы, пойманные в ловушку олиготрофных центральных вод северной части Тихого океана». Морская биология . 28 (3): 185. DOI : 10.1007 / BF00387296 .
  • Smith, KL; Болдуин, Р.Дж.; Карл, DM; Боэтиус, А. (2002). «Реакция бентических сообществ на зернобобовые в пелагических пищевых продуктах: субтропический круговорот в северной части Тихого океана». Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers . 49 (6): 971. DOI : 10.1016 / S0967-0637 (02) 00006-7 .