Рис. 1. Усредненная картина распределения биомассы фитопланктона (точнее, содержание хлорофилла) по всей акватории Мирового океана, полученная с помощью: (a) широкополосного сенсора SeaWiFS и (b) «Сканера прибрежной зоны» (Coastal Zone Color Scanner, CZCS). Различия между данными, полученными с помощью разных аппаратов, незначительны. Центральные части океанов (области огромных круговоротов) крайне бедны фитопланктоном. Гораздо больше его в прибрежных районах, а также в высоких широтах как Тихого, так и Атлантического океанов. Рис. из дополнительных материалов (PDF, 4,2 Мб) к обсуждаемой статье Boyce, Lewis & Worm в Nature Фитопланктон, связывая в процессе фотосинтеза CO2 и
образуя органическое вещество, дает начало всем пищевым цепям в океане.
Анализ множества данных о количестве фитопланктона в разных районах Мирового
океана (с конца XIX века рассчитанных по имеющимся оценкам
прозрачности, а с начала 1980-х годов получаемых дистанционно, с
космических аппаратов) показывает, что биомасса его за последнее столетие
снижалась со скоростью около 1% в год. Наиболее заметное
снижение отмечено для центральных олиготрофных районов океана. Хотя эти районы
отличаются очень низкой продуктивностью, они занимают огромную площадь, и
потому суммарный их вклад в продукцию и в биомассу фитопланктона океана
оказывается весьма существенным. Наиболее вероятная причина снижения
биомассы — повышение температуры поверхностного слоя океана, ведущее к
уменьшению глубины перемешивания и сокращению поступления из нижележащих слоев
элементов минерального питания.
Примерно половина всей первичной продукции нашей
планеты (то есть органического вещества, образуемого зелеными растениями и
другими фотосинтезирующими организмами) приходится на океан. Основные
продуценты океана — это взвешенные в верхних слоях водной толщи
микроскопические водоросли и цианобактерии (то, что в совокупности и
называют фитопланктоном). Широкомасштабное количественное изучение продукции и
биомассы фитопланктона Мирового океана развернулось в 1960-70-х годах.
Исследователи (в том числе из Института океанологии Академии наук СССР)
опирались тогда на метод, в основе которого — поглощение
фитопланктоном радиоактивного изотопа углерода 14C. Изотопом была помечена
двуокись углерода CO2, добавляемая в пробы воды с фитопланктоном, поднятые на
борт судна. В результате этих работ были построены карты распределения
фитопланктона по всей акватории Мирового океана (см., например: Koblentz-Mishke et al., 1970). В центральных,
занимающих большую площадь, областях океана биомасса фитопланктона и его
продукция очень низкие. Высокие значения биомассы и продукции приурочены к
прибрежьям и районам апвеллингов (см.: Upwelling),
где к поверхности поднимаются глубинные воды, богатые элементами
минерального питания. Прежде всего это фосфор и азот, недостаток которых как
раз и ограничивает рост фитопланктона на большей части океанической акватории.
Новый этап в количественном изучении распределения
фитопланктона Мирового океана начался в самом конце 1970-х годов, после
появления дистанционных (со спутников) методов зондирования поверхностных
вод и определения содержания в них хлорофилла. Хотя до аппаратов, находящихся у
верхней границе атмосферы, доходит не более 10% фотонов света, который
отражается от воды и несет информацию об ее цветности, этого достаточно, чтобы
рассчитать количество хлорофилла, а соответственно, и биомассу фитопланктона
(рис. 1). По величинам биомассы можно судить и о продукции
фитопланктона, что проверено в ходе специальных исследований,
сопоставляющих спутниковые данные с результатами оценок продукции, полученных
экспериментально in situ на научно-исследовательских судах. Конечно,
разные аппараты дают несколько разные данные, но общая картина
пространственного распределения фитопланктона и его динамики (сезонной и
межгодовой) получается очень подробной. Достаточно сказать, что аппарат Sea WiFS (Sea-viewing
Wide Field-of-view Sensor — Широкополосный обозреватель моря) сканирует
весь мировой океана за два дня.
Накопленный за последние 30 лет огромный массив
данных позволил выявить определенные периодические колебания биомассы
фитопланктона, в частности связанные с Эль-Ниньо, или, точнее, с «Южной Осцилляцией» (El Niño-Southern Oscillation). Анализируя эти материалы,
исследователи высказывали предположение о существовании и более долговременных
изменений биомассы фитопланктона, но их трудно было выявить из-за нехватки
данных за период, предшествующий спутниковым измерениям. Попытку хотя бы
частично разрешить эту задачу предприняли недавно специалисты из канадского
университета Далхаузи в Галифаксе (Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia). Судить о
биомассе фитопланктона 50 и даже 100 лет назад можно по оценкам прозрачности — величины, регулярно измеряемой в
научно-исследовательских экспедициях начиная с конца XIX века.
Рис. 2. Измерение прозрачности с помощью диска Секки в 1949 году. В данном случае опускается необычный диск желтого цвета. Стандартные диски — белые (их также можно видеть на снимке) — лежат на палубе слева. Фото из архива: THE ART ARCHIVE/R. SISSON/NGS IMAGE COLLECTION. Приведено в статье: Siegel & Franz. Oceanography: Century of phytoplankton change // Nature. 2010. V. 466. P. 569–571 Инструмент для измерения прозрачности воды, крайне
простой, но оказавшийся очень полезным, был придуман еще 1865 году
итальянским астрономом (а заодно и священником) Анджело Секки (Pietro Angelo
Secchi), которому было поручено составить карту прозрачности Средиземного
моря для папского флота. Прибор, получивший название «диск Секки» (см.
рис. 2), представляет собой белый металлический диск диаметром 20 или 30 см, который
опускается в воду на размеченной веревке. Глубина, на которой наблюдатель
перестает видеть диск, — это и есть прозрачность по Секки. Поскольку
основная часть взвеси, влияющая на прозрачность воды, приходится на
фитопланктон, то любые изменения величины прозрачности. как правило, хорошо
отражают изменения количества фитопланктона.
Рис. 3. Распределение величины прозрачности (c) и содержания хлорофилла на основании непосредственных измерений в океане (b). На схеме d показана картина, полученная при объединении имеющихся данных по оценке хлорофилла in situ и прозрачности. Все данные усреднены по ячейкам решетки 5° × 5°. Сопоставление этих данных с полученными дистанционно (рис. 1) не обнаруживает принципиальных различий. Рис. из обсуждаемой статьи Boyce, Lewis & Worm в Nature Опираясь на стандартизированные оценки прозрачности,
доступные с 1899 года, и на результаты недавнего сопоставления величины
прозрачности с концентрацией хлорофилла, исследователи получили, во-первых,
картину распределения биомассы фитопланктона в Мировом океане (рис. 3), а
во-вторых, изменение биомассы фитопланктона за столетний период (рис. 4).
Всего в их распоряжении были результаты более 455 тысяч измерений,
охватывающих период с 1899-го по 2008 год. При этом данные, относящиеся
непосредственно к прибрежной зоне (менее 1 км от берега и на глубинах менее 25 м), сознательно
не включались в выборку, так как в таких местах очень заметно влияние стоков с
берега. Больше всего измерений было сделано уже после 1930 года в северных
областях Атлантического и Тихого океанов. Основной вывод, к которому
приходят авторы, — это постепенное снижение общей биомассы фитопланктона
за последнее столетие со средней скоростью около 1% в год.
Рис. 4. Тенденции в изменении содержания хлорофилла в разных частях океана за последнее столетие. Карта построена комбинированием множества данных как о прозрачности, так и о содержании хлорофилла, полученных in situ. Верхний рисунок (a) показывает, с какого года есть данные (цветная шкала слева) и какова продолжительность охваченного периода (размер кружка на шкале справа). Нижний рисунок (b) показывает скорость изменения в содержании хлорофилла, в мг/м3/год (синяя часть шкалы — уменьшение количества хлорофилла, правая часть — увеличение). Рис. из обсуждаемой статьи Boyce, Lewis & Worm в Nature Для оценки локальных тенденций вся акватория Мирового
океана была разбита решеткой с ячейками размером 10° × 10°, и все
величины рассчитывались как средние на ячейку. Снижение биомассы фитопланктона
было отмечено в 59% ячеек, для которых имелись достаточно надежные данные.
Больше всего таких ячеек в высоких широтах (более 60° по широте).
Однако для некоторых районов океана отмечено повышение биомассы —
в частности, в восточной части Тихого океана, а также в северных и
южных районах Индийского океана. Центральные олиготрофные области океанов
фактически расширили занимаемые акватории, а в этих областях, несмотря на
низкую продуктивность, образуется сейчас в целом около 75% всей первичной
продукции Мирового океана.
Чтобы представить себе изменения на уровне крупных
регионов, вся акватория океана была разбита на 10 областей (рис. 5):
Арктику, Северную, Экваториальную и Южную Атлантику, северную и южную части
Индийского океана, Северную, Экваториальную и Южную Пацифику, а также
Южный океан. Анализ усредненных данных по этим крупным регионам показал, что
достоверное увеличение отмечено только для южной части Индийского океана и
статистически недостоверное — для северной части Индийского океана. Для
всех остальных регионов отмечено значимое сокращение биомассы фитопланктона.
Рис. 5. Изменение содержания хлорофилла по отдельным океаническим акваториям. Выделены: Арктика, Северная, Экваториальная и Южная Атлантика, северная и южная части Индийского океана, Северная, Экваториальная и Южная Пацифика, а также Южный океан. На нижнем рисунке показаны изменения в содержании хлорофилла: с 1899 года (синие значки) и с 1950 года (красные значки).Внизу — оценка, усредненная по всем акваториям. На схеме видно, что в большинстве акваторий произошло снижение концентрации хлорофилла и только в южной части Индийского океана отмечено существенное повышение концентрации. Среднее значение для всего океана также показывает снижение. Рис. из обсуждаемой статьи Boyce, Lewis & Worm B. в Nature Обсуждая возможные причины наблюдаемых изменений,
авторы обращают внимание прежде всего на повышение температуры поверхностного
слоя водной толщи. Оно охватило почти весь океан и привело к уменьшению толщины
перемешиваемого слоя. Соответственно, сокращается приток элементов минерального
питания (прежде всего фосфатов и нитратов) из нижележащих слоев. Однако авторы
признают, что подобное объяснение не подходит для высоких широт. Там потепление
верхнего слоя должно способствовать повышению, а не понижению продукции и
биомассы фитопланктона. Очевидно, что механизмы, определяющие крупномасштабные
изменения биомассы фитопланктона, нуждаются в дополнительном изучении.
Источник: Daniel G. Boyce, Marlon R. Lewis, Boris Worm Global phytoplankton decline over the past century // Nature. 2010. V. 466. P. 591–596. См. также:
1) David A. Siegel, Bryan A. Franz. Oceanography: Century of phytoplankton change // Nature. 2010. V. 466. P. 569–571.
2) Olga Koblentz Mishke, Vadim V. Volkovinsky, Julia G. Kabanova. Plankton primary production of the world ocean. In:Scientific Exploration of the South Pacific. 1970. Ed. W.S. Wooster. Washington: National Academy of Sciences.
|
