Økosystemet i North Pacific Subtropical Gyre - Ecosystem of the North Pacific Subtropical Gyre

Den nordlige Stillehavet subtropiske Gyre (NPSG) er det største sammenhengende økosystem på jorden. I oseanografi er et subtropisk gyre et ringlignende system med havstrømmer som roterer med klokken på den nordlige halvkule og mot klokken på den sørlige halvkule forårsaket av Coriolis-effekten . De dannes vanligvis i store åpne havområder som ligger mellom landmasser.

NPSG er den største av gyrene så vel som det største økosystemet på planeten vår. Som andre subtropiske gyrer, har den en høytrykkssone i sentrum. Sirkulasjonen rundt sentrum er med klokken rundt denne høytrykkssonen. Subtropiske gyrer utgjør 40% av jordens overflate og spiller kritiske roller i karbonfiksering og næringssyklus. Denne spesielle gyren dekker det meste av Stillehavet og består av fire rådende havstrømmer: Nord -Stillehavsstrømmen i nord, California -strømmen i øst, Nord -ekvatorialstrømmen i sør og Kuroshio -strømmen i vest. Den store størrelsen og avstanden fra land har ført til at NPSG ble dårlig prøvetatt og dermed dårlig forstått.

De viktigste havstrømmene som er involvert i North Pacific Gyre

Livsprosessene i åpne havøkosystemer er en synke for atmosfærens økende CO
2
. Gyres utgjør en stor andel, omtrent 75%, av det vi omtaler som det åpne havet, eller området av havet som ikke består av kystområder. De regnes som oligotrofiske eller næringsfattige fordi de er langt fra terrestrisk avrenning. Disse områdene ble en gang antatt å være homogene og statiske habitater. Imidlertid er det økende bevis på at NPSG viser betydelig fysisk, kjemisk og biologisk variasjon på en rekke tidsskalaer. Spesielt viser NPSG sesongmessige og årlige variasjoner i primærproduktivitet (ganske enkelt definert som produksjon av nytt plantemateriale), noe som er viktig for opptaket av CO
2
.

NPSG er ikke bare en vask for CO
2
i atmosfæren, men også andre forurensninger. Som et direkte resultat av dette sirkulære mønsteret fungerer gyrer som gigantiske boblebad og blir feller for antropogene forurensninger, for eksempel marine rusk . NPSG har blitt anerkjent for den store mengden plastrester som flyter like under overflaten i midten av gyren. Dette området har nylig fått mye medieoppmerksomhet og blir ofte referert til som Great Pacific Garbage Patch .

Oppdagelseshistorie

NPSG blir ikke ofte tatt på prøve på grunn av avstanden fra kysten og mangel på marint liv . Disse store og dype havvannene, langt fra innflytelse fra land, har historisk blitt ansett som den oceaniske ekvivalenten til terrestriske ørkener, med lave bestand av biomasse og lave produksjonshastigheter. Dette perspektivet er avledet fra mangel på omfattende undersøkelser av sentrale gyrehabitater. I løpet av de siste to tiårene har disse synspunktene blitt utfordret med en nyfunnet forståelse av dynamikken i NPSG.

HMS  Challenger tok fatt på den første globale havforskningsekspedisjonen på 1800 -tallet.

I løpet av de tidlige dagene med marin leting, HMS  Challenger (1872–1876), på beinet fra Yokohama til Honolulu, samlet plante- og dyreprøver samt mange sjøvannsprøver. Målet med denne ekspedisjonen var å bestemme den kjemiske sammensetningen av sjøvann og det organiske stoffet i suspensjon og studere fordelingen og overflod av forskjellige organismer. Motivasjonen for å studere åpne havøkosystemer har endret seg over tid, mens i dag mer moderne studier fokuserer på biologisk mangfold og klimaeffekter på økosystemets dynamikk. I dag har Hawaii Ocean Time-series (HOT) -programmet samlet det største og mest omfattende økologiske datasettet for NPSG og skal etter planen fortsette til neste årtusen . Programmer som HOT har avkreftet hypotesen om at dette økosystemet er statisk og homogent, og fant at NPSG viser dynamiske sesongmønstre som skiller det fra andre åpne havsystemer.

Fysiske egenskaper

NPSG er den største av de åpne havsmiljøene og regnes som jordens største sammenhengende biom . Denne flotte antisykloniske sirkulasjonsfunksjonen strekker seg fra 15 ° N til 35 ° N breddegrad og fra 135 ° E til 135 ° W lengdegrad. Arealet spenn ca 2 x 10 7  km 2 . Den vestlige delen, vest for 180 ° lengdegrad, har større fysisk variasjon enn den østlige delen. Denne variasjonen, der forskjellige værmønstre påvirker underregionene ulikt, skyldes de store dimensjonene til denne gyren.

Denne store variasjonen skyldes diskrete virvler, nesten treghetsbevegelser og indre tidevann . Klimamønstre som North Pacific Gyre Oscillation (NPGO), El Nino/Southern Oscillation (ENSO) og Pacific Decadal Oscillation (PDO) påvirker den årlige variasjonen i primærproduktivitet i NPSG. DiLorenzo et al., 2008 Disse forholdene kan ha dyptgående effekter på biologiske prosesser i dette habitatet, de har evnen til å skifte havoverflatetemperatur (SST), klorofyllmønstre, næringsstoffmønstre, oksygenkonsentrasjoner, blandede lagdybder og dermed bæreevnen (mengden liv dette habitatet kan bære) av NPSG.

Næringssykling

Lav næringskonsentrasjon og dermed lav tetthet av levende organismer preger overflatevannet til NPSG. Den lave biomassen resulterer i klart vann, slik at fotosyntesen kan skje til en betydelig dybde. NPSG er klassisk beskrevet som et to-lags system. Det øvre, næringsbegrensede laget står for det meste av primærproduksjonen , hovedsakelig støttet av resirkulerte næringsstoffer. Det nedre laget har næringsstoffer lettere tilgjengelig, men fotosyntesen er lysbegrenset.

I åpne havsystemer er biologisk produksjon avhengig av intens resirkulering av næringsstoffer i den eufotiske (solbelyste) sonen, med bare en liten brøkdel støttet av tilførsel av "nye" næringsstoffer. Tidligere var det en oppfatning av at NPSG var en marin ørken og at "nye" næringsstoffer ikke ofte ble tilsatt dette systemet. Utsiktene har endret seg, ettersom forskere har begynt å ha en bedre forståelse av dette habitatet. Selv om ganske høye primærproduksjonsnivåer opprettholdes gjennom rask resirkulering av næringsstoffer, kan fysiske prosesser som indre bølger og tidevann, sykloniske mesoskala-virvler , vinddrevet Ekman-pumping og atmosfæriske stormer bære inn nye næringsstoffer.

Næringsstoffer som ikke blir vant opp på overflaten vil til slutt synke ned og gi næring til havbunnens habitat. De dype bentiske habitatene til havgyrene har vanligvis antatt å bestå av noen av de mest matfattige områdene på planeten. En av kildene til næringsstoffer til dette dyphavsmiljøet er marin snø . Marinsk snø består av detritus, dødt organisk materiale, som faller fra overflatevannet der produktiviteten er høyest og eksporterer karbon og nitrogen fra det blandede overflaten til dyphavet. Data om overflod av marin snø til havbunnen mangler i dette store økosystemet. Pilskaln et al. fant ut at i NPSG var marinesnøen større enn forventet og var overraskende sammenlignbar med et dypt kystnært oppvarmingssystem.

Høyere næringsverdi kan skyldes Rhizosolenia -matter, som også spiller en viktig rolle for å bidra til marin snø i subtropiske gyrer. Dette er generelt flerartssammenslutninger av Rhizosolenia-arter av kiselalger. Dette større planteplanktonet kan nå opptil 10 centimeter i størrelse. Disse matter er spesielt rikelig i NPSG. Deres overflod i dette økosystemet antyder en høyere strøm av næringsstoffer i NPSG enn det som ble spådd i klassiske teorier.

Zooplankton kan migrere næringsstoffer over forskjellige vertikale havnivåer.

Mens N transporteres dypere av denne mekanismen, er overflatevannet potensielt avskåret fra denne kilden. Nitrogen må være tilgjengelig for livet på overflaten. For å redegjøre for denne mangelen på nitrogen til overflaten, er det organismer som er i stand til nitrogenfiksering i NPSG. Trichodesmium er en art som er i stand til nitrogenfiksering som finnes i mange overflate planktonblomstrer. Nitrogenfiksering er prosessen der inert N 2 tas fra atmosfæren og omdannes til en nitrogenforbindelse som er tilgjengelig for organismer for bruk. I mange oligotrofiske marine økosystemer er nitrogenfiksering en vanlig kilde til nitrogen.

Vertikalt migrerende dyreplankton kan også aktivt transportere næringsstoffer til forskjellige soner i vannsøylen . Zooplankton lever i overflatevannet om natten, og slipper deretter fekale pellets om dagen til midtvannet, som kan transportere C, N og P til de dypere vannet. I NPSG er dyreplanktonsamfunnet ikke statisk, men svinger sesongmessig og domineres av kopepoder, euphausiider og kaetognater.

Nylig har klassiske teorier om mangel på næringsstoffer i NPSG blitt motbevist, og nye teorier antyder at økosystemet faktisk er dynamisk og preget av sterk sesongmessig, mellomårig og til og med dekadal variabilitet. Det har også blitt ansett som svært følsomt for klimaendringer , forskere har observert økninger i vannsøylelagdelingen og redusert uorganisk næringsstofftilgjengelighet. Disse endringene er foreslått som drivmekanismer som endrer den nåværende trenden i fytoplanktonsamfunnets struktur fra eukaryote til prokaryote populasjoner, ettersom disse enklere organismer tåler lavere næringstilførsel. Zooplankton og planteplankton representerer mindre enn 10% av levende organismer i denne regionen, og det er nå godt dokumentert at NPSG er et "mikrobielt økosystem".

Mikrobielt samfunn

Mikrobielle organismer utgjør flertallet av de primære produsentene i NPSG. De er autotrofe , noe som betyr at de fanger sin egen "mat" fra sollys og kjemikalier, inkludert CO
2
. Disse organismene utgjør grunnlaget for næringskjeden , og dermed er deres tilstedeværelse i et økosystem grunnleggende. I NPSG blir primærproduktivitet ofte beskrevet som lav.

Før 1978 antok forskerne at diatomer dominerte planktonpopulasjoner i NPSG. Det ble forventet at hovedforbrukerne skulle være relativt stort mesozooplankton. Det er nå velkjent at de fleste alger i NPSG faktisk er bakterier (encellede organismer), dominert av cyanobakterier eller blågrønne alger . Disse enkle organismene utgjør flertallet av den stående bestanden av fotosyntese av marint liv i dette økosystemet. Forskere har også nylig oppdaget Archaea (også en encellet mikroorganisme , men mer lik en eukaryote enn bakterier) gener i NPSG, noe som antyder at det finnes ytterligere mangfold i dette habitatet. Mange mikroorganismer kan eksistere i denne gyren fordi liten kroppsstørrelse har et konkurransefortrinn i havet for ressursinnsamling (lys og næringsstoffer). I dagens syn på NPSG er det mikrobielle næringsnettet alltid til stede, mens den større eukaryote-grazer matkjeden er sesongbasert og flyktig.

Eukaryotisk planktonsamfunn

Fytoplankton er en form for eukaryot plankton som finnes i hav.

Eukaryot plankton i gyren er avhengig av at "nye" næringsstoffer kommer inn fra fysiske værmønstre. Den klassiske to-lags modellen som ble diskutert i tidligere seksjoner anser det øvre laget for å være ekvivalent med et "snurrehjul", med liten eksport av næringsstoffer fordi de stadig resirkuleres. Denne modellen tillater ikke tilførsel av nye næringsstoffer, noe som er problematisk fordi dette ville gjøre enhver rask økning eller blomstring av planteplankton umulig. Til tross for stadig næringsstoffbegrensning i den øvre delen, har planktonbiomasse og primærproduksjonshastighet betydelig tidsvariabilitet og produserer blomstring i NPSG.

Denne variasjonen mellom årene har blitt tilskrevet endringer i næringsstofftilførselen i øvre hav som stammer fra fysiske variasjoner på grunn av ENSO og PDO. Basert på nye data ser det nå ut til at dagens primære produksjonshastigheter i disse lavnæringsregionene er mye større enn det som var blitt vurdert, og kan variere betydelig på tidsskalaer som strekker seg fra daglig til interdecadal. Om våren observeres det noen ganger raske økninger i overflatefytoplankton i forbindelse med sykloniske mesoskala -virvler eller intense atmosfæriske forstyrrelser, begge fysiske prosesser som bringer inn nye næringsstoffer. Om sommeren sees blomster mer regelmessig og domineres vanligvis av kiselalger og cyanobakterier. Disse vanlige sommerblomstringene kan skyldes variasjoner i BOB. Sommerblomstring har blitt observert i disse farvannene så lenge forskningsfartøyer har besøkt dem. Alle disse blomstringene har blitt sett i den østlige delen av NSPG, og ingen er rapportert vest for 160 ° W. fosfatkonsentrasjoner enn den vestlige.

Variasjoner i primærproduksjonen i NPSG kan påvirke næringssyklus, mat- dynamikk og globale elementære fluks vesentlig . Størrelsesfordelingen til pelagiske primærprodusenter bestemmer både sammensetningen og størrelsen på de eksporterte næringsstoffene til det dypere vannet. Dette påvirker igjen samfunnene som lever i dypere vann i dette systemet.

Mesopelagisk samfunn

Den mesopelagiske sonen blir noen ganger referert til som skumringssonen; den strekker seg fra 200m til rundt 1000m. I de dypere lagene av NPSG vil arter høyere opp i næringskjeden vandre vertikalt eller horisontalt innenfor eller inn og ut av gyren. Basert på analyser av dyreplanktonsamfunnet, har det sentrale nordlige Stillehavet et stort artsmangfold (eller høyt antall arter) og høy likhet (som betyr at det er relativt like mange av hver). Det er også en lav grad av sesongvariabilitet av tetthet av dyreplankton.

Studier av mesopelagiske fisk i sentrale subtropiske farvann er knappe. De få studiene som finnes fant at mesopelagiske fiskearter ikke er jevnt fordelt i det subtropiske Stillehavet. Deres geografiske områder samsvarer med mønstre vist av dyreplankton. Noen av artene som er funnet, er begrenset til disse lavproduktive sentrale gyrene. Noen av fiskefamiliene som er høyt representert er Mytophids, Gonostomatids, Photichthyids, Sternoptychids og Melamphaids. Vår forståelse av det mesopelagiske samfunnet i NPSG lider av mangel på data på grunn av vanskeligheten med å få tilgang til de dypere sonene i dette systemet.

Bentisk samfunn

Det dypeste samfunnet i NPSG er det bentiske samfunnet. På dypet av gyren ligger en havbunn av finkornede leiresedimenter. Dette sedimentet er hjemsted for et samfunn av organismer, som vanligvis mottar næringsstoffene som et "regn" av produktivitet som synker ovenfra. På dybden under gyren ligger et av de mest matfattige områdene på planeten, som derfor støtter svært lave tettheter og biomasse av bunninfauna, eller dyr som bor i sedimentet. I selve sedimentet synker næringsstoffene generelt med dybden, inkludert karbon, klorofyll og nitrogen. Tettheten til den bentiske infaunaen er i samsvar med dette næringsstoffmønsteret. Infauna finnes vanligvis i de grunnere lagene av sedimenter der sediment-vann-grensesnittet ligger og generelt reduseres i antall med økende dybde i sedimentet. Bakterier i sedimentet viser dette mønsteret så vel som makrofauna (infaunale organismer> 0,5 mm), som domineres av agglutinerende (myke) foraminifera og nematoder. Andre fremtredende makrofauna som finnes i sedimentet er kalkholdige foraminifera, copepods, polychaetes og muslinger. Disse bentiske organismer er sterkt avhengige av tilførsel av næringsstoffer som legger seg til havbunnen. Enhver endring i primærproduksjonen på overflaten kan utgjøre en stor trussel for disse organismer, samt forårsake andre potensielle negative utfall for andre deler av NPSG.

Fremtiden og viktigheten av NPSG

Plastsøppel vasket i land fra Stillehavet

Inntil nylig ble NPSG ansett for å være en statisk del av en enorm global marin ørken. Nylige funn har vist at dette systemet er dynamisk og inneholder fysisk, kjemisk og biologisk variasjon på en rekke tidsskalaer. Med det nåværende skiftende klimaet, endres mønstre i atmosfæren og forårsaker endringer i primærproduksjonen i NPSG. Variasjoner i primærproduktivitet kan påvirke havets karbonsyklus og potensielt atmosfærisk CO
2
og klima, fordi slike variasjoner kan endre mengden karbon som lagres i havets undergrunnslag. Fordi NPSG er det største sammenhengende biomet på jorden, er det ikke bare viktig for et samfunn av organismer, men også resten av planeten.

NPSG har fått stor oppmerksomhet på grunn av et annet problem det står overfor. Virvelvirkningene av gyren tjener til å beholde forurensninger i sentrum. Hvis et forurensende stoff blir fanget i en strøm som er på vei mot et gylle, vil det bli der på ubestemt tid eller så lenge levetiden til forurensningen er. Et slikt forurensende stoff som er vedvarende og vanlig i NPSG, er plastrester. NPSG tvinger rusk inn i sitt sentrale område. Dette fenomenet har nylig gitt denne gyren kallenavnet, "The Pacific Garbage Patch." Gjennomsnittlig overflod og vekt av plastbiter i dette området er for tiden den største observert i Stillehavet. Det ryktes at denne "suppen" av plast er alt fra størrelsen på Texas til størrelsen på USA. Med økende interesse for forurensning og klimaendringer har NPSG fått mer oppmerksomhet. Det er viktig at vår kunnskap om dette systemet fortsetter å blomstre av disse grunnene, så vel som utelukkende for forståelsen av verdens største økosystem.

Se også

Referanser

Kilder

  • Barnett, MA (1984). "Mesopelagisk fiskezoogeografi i det sentrale tropiske og subtropiske Stillehavet: Artssammensetning og struktur på representative steder i tre økosystemer". Marin biologi . 82 (2): 199–208. doi : 10.1007/BF00394103 .
  • Brix, H., Gruber, N., Karl, D. og N. Bates. 2006. Om forholdet mellom primær, nettsamfunn og eksportproduksjon i subtropiske gyrer. Dypsjøforskning Del II. (53) 698-717.
  • Corno, G., Karl, D., Church, M., Letelier, R., Lukas, R., Bidigare, R. og M. Abbott. 2007. Effekt av klimapådriv på økosystemprosesser i det nordlige Stillehavet subtropiske Gyre. Journal of Geophysical Research . (112) 1-14.
  • DiLorenzo E., Schneider, N., Cobb, K., Franks, P., Chhak, K., Miller, A., McWilliams, J., Bograd, S., Arango, H., Curchitser, E., Powell , T. og P. Riviere. 2008. Oscillasjoner i Nord -Stillehavet knytter havklima og økosystemendringer. Geofysiske forskningsbrev . (35) 1-6.
  • Dore, JE; Letelier, RM; Church, MJ; Lukas, R .; Karl, DM (2008). "Sommerfytoplankton blomstrer i det oligotrofiske subtropiske gyden i Nord -Stillehavet: Historisk perspektiv og nylige observasjoner". Fremskritt innen oseanografi . 76 : 2–38. doi : 10.1016/j.pocean.2007.10.002 .
  • Hannides, CCS; Landry, MR; Benitez-Nelson, CR ; Stiler, REM; Montoya, JP; Karl, DM (2009). "Eksporter støkiometri og migrantmediert fosforstrøm i det subtropiske Gyre i Nord-Stillehavet". Deep-Sea Research Del I: Oceanographic Research Papers . 56 : 73–88. doi : 10.1016/j.dsr.2008.08.003 .
  • Karl, DM (1999). "Minireviews: A Sea of ​​Change: Biogeochemical Variability in the North Pacific Subtropical Gyre" (PDF) . Økosystemer . 2 (3): 181–214. doi : 10.1007/s100219900068 . JSTOR  3658829 .
  • Karl, DM; Lukas, R. (1996). "Hawaii Ocean Time-series (HOT) -programmet: Bakgrunn, begrunnelse og implementering av feltet". Deep-Sea Research Del II: Aktuelle studier i oseanografi . 43 (2–3): 129. doi : 10.1016/0967-0645 (96) 00005-7 .
  • Karl, DM; Bidigare, RR; Letelier, RM (2002). "Vedvarende og periodisk variasjon i organisk materieproduksjon og fototrofisk mikrobiell samfunnsstruktur i det subtropiske gyden i Nord -Stillehavet". Planteplanktonproduktivitet . s. 222. doi : 10.1002/9780470995204.ch9 . ISBN 9780470995204.
  • Moore, C., Moore, S., Leecaster, M. og S. Weisberg. 2001. En sammenligning av plast og plankton i sentrale gyre i Nord -Stillehavet. Marine Pollution Bulletin. (42) sidetall.
  • Nicholson, David; Emerson, Steven; Eriksen, Charles C. (2008). "Netto samfunnsproduksjon i den dype euphotiske sonen i den subtropiske gyden i Nord -Stillehavet fra seilflyundersøkelser" (PDF) . Limnologi og oseanografi . 53 (5 del 2): ​​2226–2236. doi : 10.4319/lo.2008.53.5_part_2.2226 . Hentet 11. november 2017 .
  • Pilskaln, CH; Villareal, TA; Dennett, M ​​.; Darkangelo-Wood, C .; Meadows, G. (2005). "Høye konsentrasjoner av marin snø og kiselalgeunderlag i North Pacific Subtropical Gyre: Implikasjoner for karbon- og nitrogensykluser i det oligotrofiske havet". Deep-Sea Research Del I: Oceanographic Research Papers . 52 (12): 2315. doi : 10.1016/j.dsr.2005.08.004 . hdl : 1912/404 .
  • Poretsky, RS; Hewson, I .; Sun, S .; Allen, AE; Zehr, JP; Moran, MA (2009). "Sammenlignende metatranscriptomisk dag/natt -analyse av mikrobielle samfunn i subtropisk gyre i Nord -Stillehavet". Miljømikrobiologi . 11 (6): 1358–75. doi : 10.1111/j.1462-2920.2008.01863.x . PMID  19207571 .
  • Shulenberger, E .; Hessler, RR (1974). "Rensing av avgrunnede bentiske amfipoder fanget under oligotrofiske sentrale Nord -Stillehavs Gyre -farvann". Marin biologi . 28 (3): 185. doi : 10.1007/BF00387296 .
  • Smith, KL; Baldwin, RJ; Karl, DM; Boetius, A. (2002). "Bentisk samfunnsrespons på pulser i pelagisk matforsyning: North Pacific Subtropical Gyre". Deep-Sea Research Del I: Oceanographic Research Papers . 49 (6): 971. doi : 10.1016/S0967-0637 (02) 00006-7 .