Strefa minimum tlenu - Oxygen minimum zone
Strefa minimum tlenu ( OMZ ), czasami nazywana strefą cienia , to strefa, w której nasycenie tlenem wody morskiej w oceanie jest najniższe. Strefa ta występuje na głębokościach od około 200 do 1500 m (660-4920 stóp), w zależności od lokalnych warunków. Strefy OMZ znajdują się na całym świecie, zwykle wzdłuż zachodnich wybrzeży kontynentów, w obszarach, gdzie wzajemne oddziaływanie procesów fizycznych i biologicznych jednocześnie obniża stężenie tlenu (procesy biologiczne) i ogranicza mieszanie się wody z otaczającymi (procesy fizyczne), tworząc „basen”. ” wody, w której stężenie tlenu spada z normalnego zakresu 4–6 mg/l do poniżej 2 mg/l.
Procesy fizyczne i biologiczne
W wodach powierzchniowych oceanów stężenie tlenu jest na ogół bliskie równowadze z atmosferą ziemską . Ogólnie rzecz biorąc, wody zimniejsze zawierają więcej tlenu niż wody cieplejsze. Gdy woda wydostaje się z warstwy mieszanej do termokliny , jest narażona na deszcz materii organicznej z góry. Bakterie tlenowe żywią się tą materią organiczną; tlen jest wykorzystywany w procesie metabolizmu bakterii , obniżając jego stężenie w wodzie. Dlatego stężenie tlenu w wodach głębinowych zależy od ilości tlenu, jaką miał, gdy znajdował się na powierzchni, minus wyczerpywanie przez organizmy głębinowe.
Przepływ materii organicznej w dół gwałtownie spada wraz z głębokością, przy czym 80-90% jest zużywane na górnym 1000 m (3300 stóp). Głębiny oceaniczne mają zatem wyższy poziom tlenu, ponieważ zużycie tlenu jest niskie w porównaniu z dostawami zimnych, bogatych w tlen wód głębinowych z regionów polarnych. W warstwach powierzchniowych tlen dostarczany jest poprzez wymianę z atmosferą. Jednak głębokości pomiędzy nimi mają wyższe tempo zużycia tlenu i niższe tempo adwekcyjnego dostarczania wód bogatych w tlen. W większości oceanów procesy mieszania umożliwiają ponowne dostarczanie tlenu do tych wód (tj. wody, które są częścią napędzanych przez wiatr subtropikalnych cyrkulacji wirowych, są szybko wymieniane z powierzchnią i nigdy nie osiągają silnego deficytu tlenu).
Rozmieszczenie stref minimum tlenowego na otwartym oceanie jest kontrolowane przez wielkoskalową cyrkulację oceaniczną oraz lokalne procesy fizyczne i biologiczne. Na przykład wiatr wiejący równolegle do wybrzeża powoduje transport Ekman, który wypycha składniki odżywcze z głębokich wód. Zwiększone składniki odżywcze wspierają kwitnienie fitoplanktonu, wypas zooplanktonu i ogólną produktywną sieć pokarmową na powierzchni. Produkty uboczne tych zakwitów i późniejszego wypasu toną w postaci cząstek i rozpuszczonych składników odżywczych (z fitodetrytu, martwych organizmów, granulek kałowych, wydalin, muszli, łusek i innych części). Ten „deszcz” materii organicznej (patrz pompa biologiczna ) zasila pętlę mikrobiologiczną i może prowadzić do zakwitów bakteryjnych w wodzie poniżej strefy eufotycznej z powodu napływu składników odżywczych. Ponieważ tlen nie jest wytwarzany jako produkt uboczny fotosyntezy poniżej strefy eufotycznej, drobnoustroje te zużywają tlen znajdujący się w wodzie, rozkładając opadającą materię organiczną, tworząc w ten sposób warunki o niższej zawartości tlenu.
Procesy fizyczne ograniczają następnie mieszanie i izolują wodę o niskiej zawartości tlenu od wody zewnętrznej. Mieszanie w pionie jest ograniczone ze względu na oddzielenie od zmieszanej warstwy na głębokości. Mieszanie poziome jest ograniczone batymetrią i granicami utworzonymi przez interakcje z podzwrotnikowymi zakrętami i innymi głównymi układami prądowymi. Woda o niskiej zawartości tlenu może rozprzestrzeniać się (poprzez adwekcję) spod obszarów o wysokiej produktywności aż do tych granic fizycznych, tworząc stojącą pulę wody bez bezpośredniego połączenia z powierzchnią oceanu, chociaż (jak na wschodnim tropikalnym północnym Pacyfiku) może być stosunkowo niewielka ilość materii organicznej spadająca z powierzchni.
Życie w OMZ
Pomimo warunków niskiego poziomu tlenu, organizmy ewoluowały, aby żyć w strefach OMZ i wokół nich. W przypadku tych organizmów, takich jak wampirzy kałamarnica , potrzebne są specjalne adaptacje, aby albo poradzić sobie z mniejszą ilością tlenu, albo wydajniej wydobywać tlen z wody. Na przykład olbrzymia czerwona muszka pospolita ( Gnathophasia ingens ) nadal żyje w warunkach tlenowych (używając tlenu) w strefach OMZ. Posiadają wysoko rozwinięte skrzela o dużej powierzchni i cienkiej odległości dyfuzji krew-woda, która umożliwia skuteczne usuwanie tlenu z wody ( usunięcie do 90% O 2 z wody wdychanej) oraz sprawny układ krążenia o dużej pojemności i dużej ilości krwi stężenie białka ( hemocyjaniny ), które łatwo wiąże tlen.
Inną strategią stosowaną przez niektóre klasy bakterii w strefach minimalnej ilości tlenu jest stosowanie azotanów zamiast tlenu, co zmniejsza stężenie tego ważnego składnika odżywczego. Proces ten nazywa się denitryfikacją . Strefy minimalnej ilości tlenu odgrywają zatem ważną rolę w regulowaniu produktywności i struktury społeczności ekologicznej globalnego oceanu. Na przykład gigantyczne maty bakteryjne pływające w strefie minimalnej ilości tlenu u zachodniego wybrzeża Ameryki Południowej mogą odgrywać kluczową rolę w niezwykle bogatych łowiskach regionu, ponieważ znaleziono tam maty bakteryjne wielkości Urugwaju .
Zmiany
Strefy OMZ zmieniły się z biegiem czasu ze względu na skutki wielu globalnych procesów chemicznych i biologicznych. Aby ocenić te zmiany, naukowcy wykorzystują modele klimatyczne i próbki osadów, aby zrozumieć zmiany w rozpuszczonym tlenie w strefach OMZ. Wiele ostatnich badań stref OMZ skupiało się na ich fluktuacjach w czasie oraz na tym, jak mogą się one obecnie zmieniać w wyniku zmian klimatycznych .
Niektóre badania miały na celu zrozumienie, w jaki sposób strefy OMZ zmieniały się w geologicznej skali czasu . W historii ziemskich oceanów strefy OMZ zmieniały się w długich skalach czasowych, stając się większe lub mniejsze w zależności od wielu zmiennych. Czynnikami, które zmieniają strefy OMZ, są ilość produkcji pierwotnej oceanicznej powodująca zwiększone oddychanie na większych głębokościach, zmiany w dopływie tlenu z powodu słabej wentylacji oraz ilość tlenu dostarczanego przez cyrkulację termohalinową . Z ostatnich obserwacji jasno wynika, że w ciągu ostatniego półwiecza zasięg stref OMZ rozszerzył się w oceanach tropikalnych. Pionowa ekspansja tropikalnych stref OMZ zmniejszyła obszar między strefą strefy OMZ a powierzchnią, na której tlen jest wykorzystywany przez wiele organizmów. Obecnie badania mają na celu lepsze zrozumienie, w jaki sposób ekspansja OMZ wpływa na sieci pokarmowe w tych obszarach. Badania nad ekspansją stref OMZ w tropikalnym Pacyfiku i Atlantyku wykazały negatywny wpływ na populacje ryb i łowiska komercyjne, które prawdopodobnie wystąpiły z powodu ograniczonego siedliska, gdy miały płycizny OMZ.
W ramach innych badań podjęto próbę modelowania potencjalnych zmian w strefach OMZ w wyniku wzrostu globalnych temperatur i wpływu człowieka. Jest to trudne ze względu na wiele czynników, które mogą przyczynić się do zmian w strefach OMZ. Czynniki wykorzystywane do modelowania zmian w OMZ są liczne, aw niektórych przypadkach trudne do zmierzenia lub określenia ilościowego. Niektóre z badanych procesów to zmiany rozpuszczalności tlenu w gazie w wyniku wzrostu temperatury oceanów, a także zmiany ilości oddychania i fotosyntezy zachodzące wokół stref OMZ. Wiele badań wykazało, że strefy OMZ rozwijają się w wielu lokalizacjach, ale wahania współczesnych stref OMZ wciąż nie są w pełni zrozumiałe. Istniejące modele systemów Ziemi przewidują znaczne zmniejszenie zawartości tlenu i innych zmiennych fizykochemicznych w oceanie w wyniku zmiany klimatu , co może mieć potencjalne konsekwencje dla ekosystemów i ludzi.
Zobacz też
- Martwa strefa (ekologia) , zlokalizowane obszary o dramatycznie obniżonym poziomie tlenu, często z powodu wpływu człowieka.
- Hipoksja (środowiskowa) w wielu artykułach związanych z niedoborem tlenu w środowisku.