北大西洋浮游生物繁殖的原因是什么?

了解北大西洋每年浮游生物繁殖的原因可能对于理解这些微小的植物将如何应对气候变化至关重要


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六天后,今天活着的数十亿浮游植物都将死亡——被浮游动物吃掉或漂到海底。事实上,这些微小的植物,它们共同进行的 Photosynthesis 与地球上所有陆地植物一样多,寿命只有两天。

但是,这些微小的植物对大气中二氧化碳的水平具有巨大的影响——既通过在光合作用期间吸收二氧化碳,又通过帮助驱动海洋的自然循环,使吸收了二氧化碳的密度更高、温度更低的水在北大西洋等地沉降到海底。这种天然的汇是二氧化碳(造成气候变化的最丰富的温室气体)排出大气层的主要途径之一。因此,了解这些微小植物每年春天繁殖的方式和原因,对于理解地球的生命系统——以及地球的元素循环——可能如何应对全球变暖至关重要。

几十年来,由于海洋学家哈拉尔德·斯维德鲁普在 20 世纪 50 年代的开创性工作,科学家们一直认为春季海洋条件是造成每年浮游生物繁殖的原因。但是,根据《生态学》四月刊上发表的一篇论文,一项新的卫星记录分析表明,情况可能并非像春季条件的到来释放了浮游植物的光合潜力那么简单。

俄勒冈州立大学的浮游植物生态学家迈克尔·贝伦菲尔德研究了 NASA SeaStar 卫星及其海视广域视场传感器 (SeaWiFS) 九年的数据。该工具使研究人员能够估算海洋中的总表面叶绿素浓度以及浮游植物中的相对碳浓度。贝伦菲尔德专注于北大西洋,发现叶绿素和碳浓度揭示的浮游生物数量增加始于隆冬季节(生长条件最差的时候),而不是由变化的春季天气引发。原因似乎是冬季风暴搅动海洋造成的深水混合,从而使吃浮游植物的微小动物难以找到猎物。

贝伦菲尔德解释说:“随着您进入冬季和更深的混合,浮游植物生长损失给食草动物的比例越来越小。” 本质上,由于浮游植物更稀薄地分布在更多的水中,或者被稀释,潜在的食草动物更难找到它们。这使得浮游植物能够在仲冬开始积累,这种生长方面的领先优势是大规模繁殖的序曲,一旦冬季风暴停止混合,生长条件就会改善。

到春末,食草动物赶上,消耗与生长一样多的浮游植物,也使繁殖结束。但是,新的假设调整了旧的理解,即浮游动物食草动物和其他损失基本上在所有时候都消除相同数量的浮游植物,正如斯维德鲁普在 1953 年提出的那样。

普林斯顿大学大气与海洋科学项目的生物地球化学家豪尔赫·萨缅托(未参与该研究)称,繁殖始于仲冬的新发现是“一个具有启发性的想法……生长超过放牧的唯一时间点是非常早的时候。” 他补充说:“让我们看看长期来看数据会怎么说。”

当然,这种通过解释叶绿素和碳浓度来估算浮游生物浓度的方法仍有待现场测试验证。“北大西洋是一个冬天非常恶劣的地方,没有人想去那里。卫星不在乎条件有多恶劣,”贝伦菲尔德说,并指出他正在与海洋浮标进行的一项新研究提供了支持他的新假设的数据。“现在我们需要去实地进行一些测量。”

气候变化也可能提供一个测试。如果确实是冬季风暴造成的深水混合引起的稀释为每年的繁殖奠定了基础,那么北大西洋风暴较少的温暖世界“应该会减少繁殖”,贝伦菲尔德指出。“在(北大西洋的)南端,冬季混合深度已经较浅。同样,我们看到南端的繁殖规模也较小。”

萨缅托补充说:“如果[北大西洋浮游植物]变得更有效率或效率更低,那么就会对地球的二氧化碳平衡产生反馈。真正重要的是了解该系统,并充分了解它,以便我们能够预测它将如何应对气候变化。”

毕竟,如果浮游生物繁殖减少,地球可能会失去两个碳汇:将有更少的死亡浮游生物尸体(避免被食草动物消耗)沉入海底,并且富含二氧化碳的表层水下沉的可能性也可能降低。反过来,这可能会进一步加剧额外的大气温室气体造成的气候变化。

这也很重要,因为浮游植物构成了海洋食物网的基础,这意味着世界上许多生产力最高的渔业在很大程度上依赖于这些微小植物的活动。世界海洋中其他具有类似繁殖的区域,例如阿拉伯海及其与季风相关的繁殖,也可能遵循类似的模式。

浮游植物繁殖的长期领先和驱动因素远非北大西洋的唯一谜团。毕竟,这些年度繁殖显示出一种类型的浮游植物的优势地位迅速变化,随后又是另一种类型的浮游植物的优势地位——但总体种群规模增长相对平稳。贝伦菲尔德询问了这种机制,“这实际上是如何运作的?”

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