Ökosystem des subtropischen Wirbels im Nordpazifik - Ecosystem of the North Pacific Subtropical Gyre

Der Nordpazifik-Subtropische Wirbel (NPSG) ist das größte zusammenhängende Ökosystem der Erde. In der Ozeanographie , ein subtropisches gyre ist ein ringartiges System von Meeresströmungen im Uhrzeigersinn in dem rotierenden nördlichen Hemisphäre und gegen den Uhrzeigersinn in der südlichen Hemisphäre , verursacht durch den Coriolis - Effekt . Sie bilden sich im Allgemeinen in großen offenen Ozeangebieten, die zwischen Landmassen liegen.

Der NPSG ist der größte der Wirbel sowie das größte Ökosystem auf unserem Planeten. Wie andere subtropische Wirbel hat er in seinem Zentrum eine Hochdruckzone. Die Zirkulation um das Zentrum erfolgt im Uhrzeigersinn um diese Hochdruckzone. Subtropische Wirbel machen 40 % der Erdoberfläche aus und spielen eine entscheidende Rolle bei der Kohlenstofffixierung und dem Nährstoffkreislauf. Dieser besondere Wirbel bedeckt den größten Teil des Pazifischen Ozeans und umfasst vier vorherrschende Meeresströmungen: den Nordpazifikstrom im Norden, den Kalifornischen Strom im Osten, den Nordäquatorialstrom im Süden und den Kuroshiostrom im Westen. Seine große Größe und Entfernung von der Küste hat dazu geführt, dass die NPSG schlecht beprobt und daher schlecht verstanden wurde.

Die wichtigsten Meeresströmungen, die mit dem Nordpazifik-Gyre verbunden sind

Die Lebensprozesse in Ökosystemen des offenen Ozeans sind eine Senke für den zunehmenden CO .- Ausstoß der Atmosphäre
2. Wirbel machen einen großen Teil, etwa 75 %, des offenen Ozeans oder der Meeresfläche aus, die nicht aus Küstengebieten besteht. Sie gelten als oligotroph oder nährstoffarm, weil sie weit von terrestrischem Abfluss entfernt sind. Diese Regionen galten früher als homogene und statische Lebensräume. Es gibt jedoch zunehmend Hinweise darauf, dass die NPSG eine erhebliche physikalische, chemische und biologische Variabilität auf einer Vielzahl von Zeitskalen aufweist. Insbesondere weist der NPSG saisonale und interannuelle Schwankungen der Primärproduktivität (einfach definiert als Produktion von neuem Pflanzenmaterial) auf, die für die Aufnahme von CO . wichtig ist
2.

Die NPSG ist nicht nur eine Senke für CO
2in der Atmosphäre, aber auch andere Schadstoffe. Als direktes Ergebnis dieses kreisförmigen Musters wirken Wirbel wie riesige Whirlpools und werden zu Fallen für anthropogene Schadstoffe wie Meeresmüll . Der NPSG ist bekannt für die große Menge an Plastikmüll, die direkt unter der Oberfläche in der Mitte des Wirbels schwimmt. Dieses Gebiet hat in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit in den Medien erhalten und wird allgemein als Great Pacific Garbage Patch bezeichnet .

Geschichte der Entdeckung

Der NPSG wird wegen seiner Entfernung von der Küste und seines Mangels an Meereslebewesen nicht oft beprobt . Diese riesigen und tiefen Ozeanwasser , weit entfernt vom Einfluss des Landes, wurden in der Vergangenheit als das ozeanische Äquivalent zu terrestrischen Wüsten mit geringen Biomassevorräten und niedrigen Produktionsraten angesehen. Diese Perspektive ergibt sich aus dem Mangel an umfassender Untersuchung zentraler Wirbelhabitate. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden diese Ansichten durch ein neu gewonnenes Verständnis der Dynamik der NPSG in Frage gestellt.

Die HMS  Challenger unternahm im 19. Jahrhundert die erste globale Meeresforschungsexpedition.

In den frühen Tagen der Meeresforschung sammelte die HMS  Challenger (1872–1876) auf ihrer Etappe von Yokohama nach Honolulu Pflanzen- und Tierexemplare sowie zahlreiche Meerwasserproben. Ziel dieser Expedition war es, die chemische Zusammensetzung von Meerwasser und der organischen Substanz in Suspension zu bestimmen und die Verbreitung und Häufigkeit verschiedener Organismengemeinschaften zu untersuchen. Die Motivation für das Studium offener Ozeanökosysteme hat sich im Laufe der Zeit geändert, während sich heute modernere Studien auf die Biodiversität und die Auswirkungen des Klimas auf die Ökosystemdynamik konzentrieren. Heute hat das Hawaii Ocean Time-Series (HOT)-Programm den größten und umfassendsten ökologischen Datensatz für die NPSG zusammengestellt und soll bis zum nächsten Jahrtausend fortgesetzt werden . Programme wie HOT haben die Hypothese, dass dieses Ökosystem statisch und homogen ist, widerlegt und festgestellt, dass das NPSG dynamische saisonale Muster aufweist, die es von anderen offenen Ozeansystemen unterscheiden.

Physikalische Eigenschaften

Der NPSG ist der größte Lebensraum im offenen Ozean und gilt als das größte zusammenhängende Biom der Erde . Diese großartige Antizyklon-Zirkulationsfunktion erstreckt sich von 15°N bis 35°N Breite und von 135°E bis 135°W Länge. Seine Oberfläche umfasst ungefähr 2 x 10 ⁷  km ² . Sein westlicher Teil, westlich von 180° Länge, weist eine größere physikalische Variabilität auf als der östliche Teil. Diese Variabilität, bei der unterschiedliche Wettermuster Subregionen unterschiedlich beeinflussen, ist auf die großen Dimensionen dieses Wirbels zurückzuführen.

Diese große Variabilität wird durch diskrete Wirbel, nahezu träge Bewegungen und interne Gezeiten verursacht . Klimamuster wie die North Pacific Gyre Oscillation (NPGO), El Nino/Southern Oscillation (ENSO) und die Pacific Decadal Oscillation (PDO) beeinflussen die interannuelle Variabilität der Primärproduktivität in der NPSG. DiLorenzo et al., 2008 Diese Bedingungen können tiefgreifende Auswirkungen auf biologische Prozesse in diesem Lebensraum haben, sie haben die Fähigkeit, die Meeresoberflächentemperatur (SST), Chlorophyllmuster, Nährstoffmuster, Sauerstoffkonzentrationen, Mischschichttiefen und damit die Tragfähigkeit zu verschieben (Menge an Leben, die dieser Lebensraum tragen kann) der NPSG.

Nährstoffkreislauf

Niedrige Nährstoffkonzentrationen und damit eine geringe Dichte an Lebewesen kennzeichnen die Oberflächengewässer der NPSG. Die geringe Biomasse führt zu klarem Wasser, wodurch die Photosynthese bis in eine beträchtliche Tiefe erfolgen kann. Das NPSG wird klassisch als zweischichtiges System beschrieben. Die obere, nährstoffarme Schicht macht den größten Teil der Primärproduktion aus , die hauptsächlich durch recycelte Nährstoffe unterstützt wird. Die untere Schicht hat Nährstoffe leichter verfügbar, aber die Photosynthese ist lichtbegrenzt.

In offenen Ozeansystemen hängt die biologische Produktion von einem intensiven Nährstoffrecycling innerhalb der euphotischen (sonnenbeschienenen) Zone ab, wobei nur ein kleiner Teil durch den Eintrag „neuer“ Nährstoffe unterstützt wird. Zuvor bestand die Auffassung, dass die NPSG eine Meereswüste sei und dass diesem System normalerweise keine „neuen“ Nährstoffe hinzugefügt würden. Die Aussichten haben sich geändert, da Wissenschaftler begonnen haben, diesen Lebensraum besser zu verstehen. Obwohl durch schnelles Recycling von Nährstoffen relativ hohe Primärproduktionsraten aufrechterhalten werden, können physikalische Prozesse wie interne Wellen und Gezeiten, zyklonische mesoskalige Wirbel , windgetriebenes Ekman-Pumpen und atmosphärische Stürme neue Nährstoffe einbringen.

Nährstoffe, die an der Oberfläche nicht verbraucht werden, sinken schließlich ab und ernähren den Lebensraum des Meeresbodens. Es wird angenommen, dass die tiefen benthischen Lebensräume der Ozeanwirbel typischerweise aus einigen der nahrungsärmsten Regionen der Erde bestehen. Eine der Nährstoffquellen für diesen Lebensraum der Tiefsee ist Meeresschnee . Meeresschnee besteht aus Detritus, toter organischer Substanz, die aus den Oberflächengewässern fällt, wo die Produktivität am höchsten ist, und Kohlenstoff und Stickstoff aus der Oberflächenmischschicht in die Tiefsee exportiert. In diesem großen Ökosystem fehlen Daten über die Fülle von Meeresschnee bis zum Meeresboden . Pilskaln et al. fanden heraus, dass der Meeresschnee im NPSG in einer höheren Häufigkeit als erwartet vorlag und überraschenderweise mit einem tiefen Küstenauftriebssystem vergleichbar war.

Der höhere Nährwert kann auf Rhizosolenia-Matten zurückzuführen sein, die auch eine wichtige Rolle bei der Bildung von Meeresschnee in subtropischen Wirbeln spielen. Dies sind im Allgemeinen Multi-Arten-Assoziationen von Rhizosolenia-Arten von Diatomeen. Dieses größere Phytoplankton kann bis zu 10 Zentimeter groß werden. Diese Matten sind in der NPSG besonders reichlich vorhanden. Ihre Fülle in diesem Ökosystem deutet auf einen höheren Nährstofffluss im NPSG hin, als in klassischen Theorien vorhergesagt wurde.

Zooplankton kann Nährstoffe über verschiedene vertikale Ebenen des Ozeans migrieren.

Während N durch diesen Mechanismus tiefer transportiert wird, sind die Oberflächengewässer potenziell von dieser Quelle abgeschnitten. Stickstoff muss an der Oberfläche lebenslang verfügbar sein. Um diesem Stickstoffmangel an der Oberfläche Rechnung zu tragen, gibt es Organismen, die im NPSG zur Stickstofffixierung fähig sind . Trichodesmium ist eine Spezies, die zur Stickstofffixierung fähig ist und in vielen Oberflächenplanktonblüten vorkommt. Stickstofffixierung ist der Prozess, bei dem inertes N ₂ aus der Atmosphäre entnommen und in eine Stickstoffverbindung umgewandelt wird, die Organismen zur Verwendung zur Verfügung steht. In vielen oligotrophen Meeresökosystemen ist die Stickstofffixierung eine häufige Stickstoffquelle.

Auch vertikal wanderndes Zooplankton kann aktiv Nährstoffe in verschiedene Zonen der Wassersäule transportieren . Zooplankton frisst nachts in den Oberflächengewässern und gibt dann tagsüber Fäkalienpellets in das Mittelwasser ab, die C, N und P in die tieferen Gewässer transportieren können. In der NPSG ist die Zooplanktongemeinschaft nicht statisch, sondern schwankt saisonal und wird von Copepoden, Euphausiden und Chaetognathen dominiert.

Vor kurzem haben klassische Theorien über den Mangel an Nährstoffen in der NPSG gewesen disproven und neue Theorien deuten darauf hin , dass das Ökosystem tatsächlich dynamisch ist und gekennzeichnet durch starke saisonale, interannuellen und sogar dekadischen Variabilität hat es auch sehr empfindlich erachtet worden Klimawandel haben Wissenschaftler beobachteten eine Zunahme der Schichtung der Wassersäule und eine verringerte Verfügbarkeit anorganischer Nährstoffe. Diese Veränderungen werden als treibende Mechanismen vorgeschlagen, die den aktuellen Trend der Phytoplankton-Gemeinschaftsstruktur von eukaryotischen zu prokaryotischen Populationen verändern, da diese einfacheren Organismen einer geringeren Nährstoffversorgung standhalten können. Zooplankton und Phytoplankton machen weniger als 10 % der lebenden Organismen in dieser Region aus, und es ist mittlerweile gut dokumentiert, dass die NPSG ein „mikrobielles Ökosystem“ ist.

Mikrobielle Gemeinschaft

Mikrobielle Organismen machen die Mehrheit der Primärproduzenten in der NPSG aus. Sie sind autotroph , was bedeutet, dass sie ihre eigene „Nahrung“ aus Sonnenlicht und Chemikalien, einschließlich CO ., aufnehmen
2. Diese Organismen bilden die Basis der Nahrungskette und daher ist ihre Anwesenheit in einem Ökosystem von grundlegender Bedeutung. In der NPSG wird die Primärproduktivität oft als niedrig beschrieben.

Vor 1978 stellten Wissenschaftler die Hypothese auf, dass Diatomeen die Planktonpopulationen in der NPSG dominierten. Als Hauptkonsumenten wurde relativ großes Mesozooplankton erwartet. Es ist mittlerweile bekannt, dass die meisten Algen im NPSG tatsächlich Bakterien (einzellige Organismen) sind, die von Cyanobakterien oder Blaualgen dominiert werden . Diese einfachen Organismen machen den Großteil des Bestands an photosynthetischen Meereslebewesen in diesem Ökosystem aus. Wissenschaftler haben kürzlich auch Archaea- Gene (ebenfalls ein einzelliger Mikroorganismus , aber eher einem Eukaryoten als Bakterien) in der NPSG entdeckt, was darauf hindeutet, dass in diesem Lebensraum zusätzliche Vielfalt existiert. In diesem Wirbel können viele Mikroorganismen existieren, da eine geringe Körpergröße einen Wettbewerbsvorteil im Ozean bei der Beschaffung von Ressourcen (Licht und Nährstoffen) hat. Aus heutiger Sicht der NPSG ist das mikrobielle Nahrungsnetz immer präsent, während die größere Nahrungskette von Eukaryoten und Weidetieren saisonal und ephemer ist.

Eukaryontische Planktongemeinschaft

Phytoplankton ist eine Form von eukaryotischem Plankton, die in Ozeanen vorkommt.

Eukaryotisches Plankton im Wirbel ist auf „neue“ Nährstoffe angewiesen, die durch physikalische Wettermuster zugeführt werden. Das klassische zweischichtige Modell, das in den vorherigen Abschnitten diskutiert wurde, betrachtet die obere Schicht als gleichbedeutend mit einem „Spinnrad“ mit geringem Nährstoffexport, da sie ständig recycelt werden. Dieses Modell lässt die Zufuhr neuer Nährstoffe nicht zu, was problematisch ist, da dies eine schnelle Zunahme oder Blüte von Phytoplankton unmöglich machen würde. Trotz der allgegenwärtigen Nährstofflimitierung im oberen Teil weisen Planktonbiomasse und Primärproduktionsraten erhebliche zeitliche Schwankungen auf und produzieren im NPSG Blüten.

Diese Variabilität zwischen den Jahren wurde auf Veränderungen in der Nährstoffversorgung der oberen Ozeane zurückgeführt, die auf physikalische Variationen aufgrund von ENSO und PDO zurückzuführen sind. Basierend auf neuen Daten scheint es nun, dass die gegenwärtigen Raten der Primärproduktion in diesen nährstoffarmen Regionen viel höher sind als bisher angenommen und auf Zeitskalen von täglich bis interdekadisch erheblich variieren können. Im Frühjahr wird gelegentlich ein schneller Anstieg des Oberflächenphytoplanktons in Verbindung mit zyklonischen Wirbeln auf der Mesoskala oder intensiven atmosphärischen Störungen beobachtet, beides physikalische Prozesse, die neue Nährstoffe einbringen. Im Sommer sind Blüten regelmäßiger zu sehen und werden typischerweise von Kieselalgen und Cyanobakterien dominiert. Diese regelmäßigen Sommerblüten können durch Schwankungen der gU verursacht werden. Sommerblüten werden in diesen Gewässern beobachtet, solange Forschungsschiffe sie befahren. Alle diese Blüten wurden im östlichen Teil des NSPG beobachtet, wobei westlich von 160° W keine gemeldet wurde. Hypothesen zur Erklärung dieses Phänomens sind, dass der Wirbel durch einen niedrigen Phosphatgehalt gekennzeichnet ist, aber dass die Blütenregion des östlichen NPSG erheblich höher ist Phosphatkonzentrationen als im Westen.

Variationen in der Primärproduktion im NPSG können den Nährstoffkreislauf, die Dynamik des Nahrungsnetzes und die globalen Elementarflüsse erheblich beeinflussen . Die Größenverteilung pelagischer Primärproduzenten bestimmt sowohl die Zusammensetzung als auch die Menge der exportierten Nährstoffe in die tieferen Gewässer. Dies wirkt sich wiederum auf die Gemeinschaften aus, die in den tieferen Gewässern dieses Systems leben.

Mesopelagische Gemeinschaft

Die mesopelagische Zone wird manchmal als Dämmerungszone bezeichnet; es erstreckt sich von 200m bis etwa 1000m. In den tieferen Schichten des NPSG wandern Arten weiter oben in der Nahrungskette vertikal oder horizontal innerhalb oder in und aus dem Wirbel. Basierend auf Analysen der Zooplankton-Gemeinschaft weist der zentrale Nordpazifik eine hohe Artenvielfalt (bzw. Es gibt auch eine geringe saisonale Variabilität der Dichte von Zooplankton.

Studien an mesopelagischen Fischen in zentralen subtropischen Gewässern sind rar. Die wenigen Studien, die es gibt, fanden heraus, dass mesopelagische Fischarten nicht gleichmäßig im subtropischen Pazifik verbreitet sind. Ihre geographischen Reichweiten entsprechen den Mustern, die Zooplankton zeigt. Einige der gefundenen Arten sind auf diese Zentralwirbel mit geringer Produktivität beschränkt. Einige der stark vertretenen Fischfamilien sind Mytophiden, Gonostomatiden, Photichthyiden, Sternoptychiden und Melamphaiden. Unser Verständnis der mesopelagischen Gemeinschaft der NPSG leidet unter einem Mangel an Daten aufgrund der Schwierigkeit, auf die tieferen Zonen dieses Systems zuzugreifen.

Benthische Gemeinschaft

Die tiefste Gemeinschaft in der NPSG ist die benthische Gemeinschaft. In den Tiefen des Wirbels liegt ein Meeresboden aus feinkörnigen Tonsedimenten. Dieses Sediment beheimatet eine Gemeinschaft von Organismen, die ihre Nährstoffe in der Regel als „Regen“ der von oben herabsinkenden Produktivität erhalten. In der Tiefe unter dem Wirbel liegt eines der nahrungsärmsten Gebiete der Erde, das daher eine sehr geringe Dichte und Biomasse benthischer Infauna oder im Sediment lebender Tiere unterstützt. Im Sediment selbst nehmen die Nährstoffe im Allgemeinen mit der Tiefe ab, einschließlich Kohlenstoff, Chlorophyll und Stickstoff. Die Dichte der benthischen Infauna stimmt mit diesem Nährstoffmuster überein. Infauna findet man typischerweise in den flacheren Sedimentschichten, wo die Sediment-Wasser-Grenzfläche liegt, und nimmt im Allgemeinen mit zunehmender Tiefe im Sediment an Zahl ab. Bakterien im Sediment zeigen dieses Muster ebenso wie Makrofauna (infaunale Organismen > 0,5 mm), die von agglutinierenden (weichkörperigen) Foraminiferen und Nematoden dominiert wird. Andere prominente Makrofauna im Sediment sind kalkhaltige Foraminiferen, Copepoden, Polychaeten und Muscheln. Diese benthischen Organismen sind stark auf die Zufuhr von Nährstoffen angewiesen, die sich am Meeresboden absetzen. Jede Änderung der Primärproduktion an der Oberfläche könnte eine große Bedrohung für diese Organismen darstellen und andere potenzielle negative Auswirkungen auf andere Teile des NPSG haben.

Zukunft und Bedeutung der NPSG

Plastikmüll aus dem Pazifischen Ozean angeschwemmt

Bis vor kurzem galt die NPSG als statischer Teil einer riesigen globalen Meereswüste. Jüngste Entdeckungen haben bewiesen, dass dieses System dynamisch ist und physikalische, chemische und biologische Variabilität auf verschiedenen Zeitskalen enthält. Mit dem aktuellen Klimawandel verschieben sich die Muster in der Atmosphäre und verursachen Veränderungen in der Primärproduktion im NPSG. Schwankungen der Primärproduktivität können den Kohlenstoffkreislauf der Ozeane und potenziell atmosphärisches CO . beeinflussen
2und Klima, denn solche Schwankungen können die Menge an Kohlenstoff verändern, die in den unterirdischen Schichten der Ozeane gespeichert ist. Da das NPSG das größte zusammenhängende Biom der Erde ist, ist es nicht nur für eine Gemeinschaft von Organismen wichtig, sondern auch für den Rest des Planeten.

Die NPSG hat aufgrund eines anderen Problems, mit dem sie derzeit konfrontiert ist, große Aufmerksamkeit erhalten. Die Wirbeleffekte des Wirbels dienen dazu, Schadstoffe in seinem Zentrum zu halten. Wenn ein Schadstoff in einer Strömung eingeschlossen wird, die auf einen Wirbel zusteuert, bleibt er dort auf unbestimmte Zeit oder so lange, wie der Schadstoff lebt. Einer dieser persistenten und häufig vorkommenden Schadstoffe im NPSG ist Plastikmüll. Die NPSG zwingt Trümmer in ihren zentralen Bereich. Dieses Phänomen hat diesem Wirbel kürzlich den Spitznamen „The Pacific Garbage Patch“ gegeben. Die durchschnittliche Menge und das Gewicht von Plastikteilen in diesem Gebiet sind derzeit die größten, die im Pazifischen Ozean beobachtet wurden. Es wird gemunkelt, dass diese Plastiksuppe von der Größe von Texas bis zur Größe der USA reicht. Mit zunehmendem Interesse an Umweltverschmutzung und Klimawandel hat die NPSG an Aufmerksamkeit gewonnen. Aus diesen Gründen und allein für das Verständnis des größten Ökosystems der Welt ist es wichtig, dass unser Wissen über dieses System weiter wächst.

Siehe auch

• Plastisphäre

Verweise

Quellen