Колебания количества планктона в зависимости от изменений климата

Данные от спутников НАСА представляют океан в оттенках зелёного и синего цветов, это обеспечивает новое понимание того, как климатические и экосистемные процессы влияют на циклы размножения фитопланктона – микроскопических водных растений, имеющих большое значение для многих популяций рыб и углеродного цикла Земли.

Фитопланктон находится в основании пищевой цепи океана, и на него приходится около половины чистого фотосинтеза на Земле. Поглощая углекислый газ в процессе фотосинтеза, планктон играет ключевую роль в процессе переноса углерода из атмосферы в океан. В отличие от растительных экосистем на суше, количество фитопланктона в океане всегда неразрывно связано с множеством организмов, питающихся фитопланктоном, что создаёт бесконечный круговорот в системе взаимодействий между хищниками и добычей. Новый анализ показывает, что малейший дисбаланс в этой взаимосвязи хищник-добыча, обусловленный изменениями в окружающей среде, вызывает массовое размножение фитопланктона, что имеет огромное влияние на продуктивность океана, рыболовство и круговорот углерода. Результаты исследования опубликованы 25 сентября в журнале Изменения климата планеты (Nature Climate Change).

"Непрерывные ежегодные измерения, предоставляемые цветными спутниками НАСА для исследования океана, существенно изменили наше понимание динамики фитопланктона на Земле, – сказал Майк Беренфельд, автор исследования и эколог по изучению фитопланктона из Орегонского государственного университета, Корваллис, Орегон. – То, что мы видим сейчас – это тесно связанные системы размножения и потребления фитопланктона, лежащие в основе ежегодного цикла".

Беренфельд называет эту тесную взаимосвязь хищник-добыча "танцем планктона". Это представление отличается от предыдущих аспектов, которые были сосредоточены на природных ресурсах, необходимых для размножения фитопланктона, таких как питательные вещества и свет. Новое представление важно, поскольку оно показывает, что малейший дисбаланс может значительно повлиять на экологию Земли.

В последние несколько лет Беренфельд сотрудничал с Эммануэлем Боссом из Мэнского университета, Ороно, Дэвидом Сигелом из Калифорнийского университета, Санта-Барбара и Скоттом Дони из Вудсхолского океанографического института, Массачусетс, чтобы усовершенствовать новую теоретическую базу для объяснения размножения фитопланктона, которую они называют "гипотезой нарушения-восстановления". Согласно данной точке зрения, цветение планктона может быть вызвано любым процессом, который нарушает естественный баланс между фитопланктоном и питающимися им организмами.

Нарушение баланса может иметь место при глубоком перемешивании поверхности океана в результате штормов, при которых поднимается глубинная океанская вода вдоль побережий (это известно как прибрежный апвеллинг), может создаваться рекой, текущей в океан, а также существует целенаправленное нарушение, такое как насыщение океанских экосистем железом. Новое исследование сосредоточено на второй части гипотезы – как экосистемы планктона восстанавливаются после нарушений.

Беренфельд пояснил, что в океанических экосистемах активность фитопланктона тесно связана с организмами, которые им питаются, в некотором смысле, это похоже на два мяча, соединённых круглой резинкой. Если по одному мячу ударить битой, то он передаст ускорение другому мячу. Как только ведущий мяч начнёт замедляться, другой мяч будет его притормаживать, даже если ведущий мяч все ещё будет двигаться.

"В принципе, фитопланктон неразрывно связан с хищниками, – говорит Беренфельд. – Если размножение планктона ускоряется, он будет опережать хищников. Как только размножение замедлится, хищники, которые размножались вместе с фитопланктоном, быстро его нагонят, остановят его прирост в процессе потребления, а затем начнётся сокращение численности планктона".

Используя данные от Спектрометра НАСА со средним разрешением (MODIS), Беренфельд показывает, что тесная взаимосвязь хищник-добыча является общей закономерностью планктонных экосистем в Мировом океане. Даже в регионах, где происходит цветение фитопланктона, оно является результатом лишь незначительного дисбаланса в этих взаимосвязях. Основным местом исследования является север Атлантического океана, где каждый год происходит один из крупнейших всплесков размножения (цветения) фитопланктона, и данное исследование показывает, что глубинное зимнее перемешивание приводит к большим запасам фитопланктона. Это открытие важно, поскольку оно предполагает, что потепление океана в ближайшее столетие приведёт к снижению зимнего перемешивания слоёв и может существенно уменьшить пиковое значение запасов фитопланктона.

Беренфельд также отследил годичные циклы фитопланктона за 10-летний период в Северной Атлантике, используя данные от Широкоугольного обзорного сенсорного спутника для исследования океана НАСА (SeaWiFS). Он впервые показал, как изменения в популяциях фитопланктона с течением времени регулируются периодами ускорения и замедления темпов размножения. Это открытие, наконец, связало начало цветения фитопланктона с его кульминацией, которая может произойти спустя много месяцев.

"Понимание планктонной экосистемы и её реакций на изменения очень важно для прогнозирования глобальных изменений в экосистемах Земли, – объяснил Беренфельд. – Условия окружающей среды, которые запускают и затем поддерживают процесс цветения фитопланктона, во многих случаях являются теми же самыми факторами, которые обусловлены изменениями климата".

Следующим шагом будет понимание, какая последовательность видов влияет на развитие цветения планктона, а также изучение того, как углекислый газ, поглощённый фитопланктоном, обрабатывается в планктонных экосистемах, а затем перемещается и хранится в глубинах океана. Эти достижения важны для понимания того, каким образом изменения в размножении фитопланктона влияют на популяции рыб и климат. Эти сложные цели потребуют большей интеграции практических исследований, спутниковых наблюдений и компьютерного моделирования.

"Действующие спутники, такие как Terra и Aqua (Земля и Вода), наблюдают изменения количества фитопланктона, которые постоянно происходят по всему миру, – сообщил Беренфельд. – Эти изменения отражают сложные биологические и физические взаимодействия в пределах океанских экосистем. Понимание того, как эти взаимодействия функционируют в современном океане, важны для прогнозирования изменений морских экосистем в будущем". Следующие миссии, такие как миссия по исследованию атмосферных аэрозолей, облачности и океанических экосистем (PACE), в дальнейшем более точно изучат динамику планктона и климатические изменения океана.

Это изображение составлено из данных от спутника Landsat 8, полученных 22 сентября 2014 года. Здесь показано цветение фитопланктона (зелёные и голубые завихрения) возле островов Прибылова у побережья Аляски, Берингово море. Воды бирюзового цвета, скорее всего, окрашены типом фитопланктона под называнием coccolithophores.