Океан кишит микроскопическими растениями и животными, известными под общим названием планктон. Каждый отдельный организм крошечный, но в целом это свободно плавающее сообщество обеспечивает важные экосистемные услуги. Например, растительный планктон или фитопланктон используют фотосинтез для извлечения углерода из углекислого газа, что делает их ключевым двигателем углеродного цикла в океане. Фитопланктон также является источником пищи для зоопланктона, который, в свою очередь, питает рыб и морских существ вплоть до синего кита.
По мере нагревания климата и повышения температуры океана исследователи ожидают значительных изменений в распределении планктона. Тем не менее, практически нет исследований, в которых изучалось бы, где в будущем могут процветать различные виды планктона.
Часть этого пробела в знаниях теперь заполнена исследовательской группой под руководством Фабио Бенедетти и Майке Фогт, первый из которых является постдокторантом, а второй - старшим научным сотрудником группы Николаса Грубера в ETH Zurich, в сотрудничестве с коллегами из Швейцарский федеральный институт исследований леса, снега и ландшафта (WSL).
Команда проекта собрала новый глобальный набор данных для создания карт распространения более 860 видов фитопланктона и зоопланктона на основе различных статистических алгоритмов и климатических моделей. Затем они наложили эти карты, чтобы определить, как сообщества планктона могут выглядеть в будущем и где они могут встречаться. Результаты их работы недавно были опубликованы в журнале Nature Communications.
Потепление способствует разнообразию
Бенедетти и его коллеги показали, что можно ожидать увеличения разнообразия как фитопланктона, так и зоопланктона в будущем во многих регионах, потому что более теплая вода, как правило, способствует большему разнообразию.
Однако при очень высоких температурах, то есть при температуре выше 25 градусов Цельсия, фитопланктон и зоопланктон по-разному реагируют на потепление: разнообразие фитопланктона продолжает увеличиваться, а разнообразие зоопланктона уменьшается. Это приведет к сокращению разнообразия зоопланктона в тропиках.
Появление новых сообществ
Виды планктона из тропиков и субтропиков сместятся к полюсам и заменят виды, приспособленные к более прохладным водам. Это приведет к возникновению многочисленных новых сообществ, никогда ранее не существовавших в этих сочетаниях, к конвергенции видов, которые в настоящее время не занимают один и тот же ареал и чьи взаимоотношения не выстраиваются четко..
Исследователи ожидают, что самые большие изменения произойдут в океанах в высоких и умеренных широтах - именно в тех регионах, которые имеют решающее значение для фиксации CO2 и промысла.
В некоторых районах океана мы увидим рост численности видов, который на первый взгляд может показаться положительным. Но такое увеличение разнообразия на самом деле может представлять серьезную угрозу существованию и функционированию устоявшихся морских экосистем в более высоких широтах», - говорит ведущий автор Бенедетти.
Морские экосистемы в высоких и средних широтах в настоящее время зависят от сообществ планктона, бедных видами. Распределение планктонных организмов по размерам также оказывает важное влияние на качество экосистемных услуг.
Чтобы определить, изменяются ли эти факторы при изменении сообществ планктона и, следовательно, их распределения по размерам, исследователи смоделировали влияние изменения климата на размерную структуру двух важных групп планктона, диатомей и копепод. Для этих организмов имеются данные о размерах отдельных видов.
Мелкие организмы заменяют более крупные
Используя моделирование, ученые продемонстрировали, что качество среды обитания увеличивается для более мелких организмов и ухудшается для более крупных. Поэтому планктонные сообщества могут меняться, а также относительные пропорции мелких и крупных видов: более мелкие организмы становятся более обильными и многочисленными, особенно в высоких и умеренных широтах, а более крупные организмы сокращаются..
По мнению исследователей, это повлияет на экосистемные услуги, предоставляемые планктоном: если произойдут изменения в видовом составе и размерной структуре планктона, это может оказать негативное влияние на экологическую пирамиду и, следовательно, на уловы рыбы.
Планктон также играет важную роль в фиксации углерода в океане. Часть углерода, зафиксированного фитопланктоном, опускается в глубины океана и эффективно выводится из обмена с атмосферой.
Например, Северный Ледовитый океан в настоящее время является домом для фитопланктона, который больше, чем в тропических морях. Многие из них имеют раковины, а их выделения также крупнее и тяжелее. В результате и мертвые организмы, и их экскременты погружаются быстрее и на большую глубину, прежде чем содержащийся в них углерод снова разложится до CO2. Растворенный в более глубоких водах, этот CO2 остается в ловушке в глубинах в течение длительных периодов времени из-за стратификации плотности и более медленной циркуляции глубоководного океана.
Если более мелкие виды заменят более крупные, перенос углерода в глубины океана уменьшится.
Однако ученые не могут точно сказать, насколько значительными будут эти эффекты. «Единственное, что мы можем определить прямо сейчас, - это то, насколько сегодня важны определенные районы океана с точки зрения различных экосистемных услуг и изменится ли это предоставление услуг в будущем», - говорит Бенедетти.
Сдвиг дистрибуции идет полным ходом
Ученые наблюдают сдвиги в распределении планктона с тех пор, как исследователи наблюдают, что распределение планктона меняется уже несколько десятилетий. Первая программа систематического мониторинга, так называемый Непрерывный регистратор планктона (CPR), началась в Северной Атлантике в 1930-х годах. С помощью данных CPR другие исследователи недавно смогли показать, что более мелкие копеподы вытеснили более крупные виды в Северной Атлантике с 1950-х годов из-за потепления климата. Это также уменьшило секвестрацию атмосферного CO2 в глубоком море.
Медузы, другой вид зоопланктона, также мигрируют на север. В 2005 году в Ирландии был обнаружен огромный приток тропических медуз, которые опустошили лососевые фермы вдоль побережья. «События, подобные этому, показывают, что сдвиги в распределении планктона уже идут полным ходом», - говорит соавтор Мейке Фогт.