Кіріспе

Фитопланктон өсуінің жоғалтулармен теңесетін болжамдық тереңдік – биологиялық океанография термині.

Биологиялық океанографияда, критикалық тереңдік – фитопланктонның өсуі белгілі бір тереңдік аралығындағы фитопланктон биомассасының жоғалтуларымен дәл теңесетін гипотетикалық беттік араласу тереңдігі ретінде анықталады. Бұл ұғым фитопланктон гүлденуінің басталуын түсінуге көмектеседі.

Тарих

Биологиялық океанографияның бір аспектісі ретінде сындық тереңдікті 1935 жылы Гран мен Браруд енгізді. Ол 1953 жылы Харальд Свердруптың «Сындық тереңдік гипотезасын» жариялаған кезде кеңінен танымал болды. Бұл гипотеза Солтүстік Атлантикадағы М метеорологиялық кемесінде жасаған байқауларына негізделген.

Свердруп критикалық тереңдікті планктонның өсу және жоғалту деңгейімен, сондай-ақ жарық шамасымен байланыстыратын бірнеше болжамға негізделген қарапайым формула ұсынады. Оның гипотезасына сәйкес, аралас қабаттағы таза өнім шығыннан асып түсуі үшін аралас қабаттың тереңдігі сындық тереңдіктен кем болуы керек. Оның гипотезасы көбінесе фитопланктонның көктемгі гүлденуі аралас қабаттың тереңдігі көктемде сындық тереңдіктен кем тереңдікке жеткенде басталады деп қате түсіндірілді. Бірақ шындығында, Свердруп осылай деп ойламаған. 1953 жылдан бері фитопланктонның көктемгі гүлденуін бастаудағы сындық тереңдіктің және оның рөлін анықтау үшін қосымша зерттеулер жүргізілді. Жақында спутниктік деректерді талдау көрсеткендей, бұл теория барлық көктемгі гүлдеулерді, әсіресе Солтүстік Атлантиканың көктемгі гүлдеуін толық түсіндірмейді. Соңғы уақытта аралас қабаттың тереңдігі мен көктемгі гүлденудің басталу уақыты арасындағы байланысқа қатысты басқаша пікірлерді ұсынатын бірнеше мақала жарық көрді. Фитопланктонның жоғалту деңгейі тереңдікке де, өсу деңгейіне де тәуелсіз. Яғни, гүлдену алдындағы айларда фитопланктонның өсуін шектейтін жалғыз фактор жарық екені және фитопланктон қоғамдастығына түсетін жарық мөлшері түсетін сәулеленуге және жарық жоғалу коэффициентіне байланысты екені ескеріледі. Бұл процеске итермелеуші фактор көктемде сындық тереңдік пен аралас қабаттың тереңдігінің маусымдық өзгерулеріне байланысты болады. Көктемде күн сәулесінің мөлшері артуы және жер бетіне тиетін бұрышының төмендеуі салдарынан сындық тереңдік артады. Қыс айларындағы қатты жел мен дауылдар суды қарқынды араластырады, нәтижесінде тереңнен қоректік заттарға толы суды көтеріп, қалың аралас қабатты құрайды. Қысқы дауылдардың күші әлсірегенде және мұхит жылына бастағанда, судың тік бағанасы қабаттала бастайды және аралас қабаттың тереңдігі төмендейді. Свердруптың сындық тереңдік гипотезасы көктемгі гүлденудің басталуын түсіндірумен ғана шектеледі. Ол оның мөлшерін болжамайды. Бұған қоса, алғашқы гүлденуден кейін қоректік заттардың жетіспеуі немесе жыртқыштар мен зоопланктон арасындағы өзара әрекеттесу сияқты популяцияны бақылау факторларын қарастырмайды.

Өңірлік қолданылуы

1953 жылдан бері ғалымдар Свердруптың Критикалық тереңдік (SCD) теориясының әлемнің әртүрлі аймақтарында қолданылу мүмкіндігін зерттеп келеді. Семина (1960) SCD гипотезасының Камчаткаға жақын Беринг теңізінде тиімді қолданылмағанын анықтады, онда гүлдену жарықтан гөрі тұрақтылық, қоректік заттар және жайылыммен шектеледі. Обата және авторлар (1996) SCD теориясының Батыс Солтүстік Тынық мұхиты мен Солтүстік Атлантиканың орта және жоғары ендіктерінде жақсы жұмыс істейтінін, бірақ ол Шығыс Солтүстік Тынық мұхиты мен Оңтүстік мұхитта көктемгі гүлденудің қалай пайда болатынын түсіндіре алмайтынын көрсетті. Siegel және авторлар (2002) шығыс Солтүстік Атлантика бассейнінің 40°N-нен оңтүстікке қарай жарық емес, қоректік заттармен шектелетінін және демек SCD гипотезасының тиімді қолданылмауы мүмкін аймақ екенін анықтады. Behrenfeld (2010) сондай-ақ SCD-нің субарктикалық Атлантика аймақтарында тиімді қолданылмағанын хабарлады. Олар жалқы өсімнің сәулеленуге, түрлер физиологиясына, жайылымға және аралас қабаттың тереңдігімен қатар паразиттік қысымға да тәуелді екенін мәлімдеді. Сондай-ақ, олар Свердруптың моделінде фотосинтездік организмдер ғана емес, бүкіл қоғамдастықтың (зоопланктонды қоса) тыныс алуы ескерілгенін атап өтті. Свердруп өзінің моделіне сын айтып, «фитопланктон популяциясы турбуленттілік орташа болса, аралас қабаттың қалыңдығына қарамастан өсе алады» деді. Бұл гипотеза аралас қабат пен белсенді турбулентті қабат арасындағы айырмашылықты көрсетеді, ол маңызды рөл атқара алады.

Қазіргі кездегі ойлар

Свердруптың сыни тереңдік гипотезасына қарамастан, көктемгі гүлдеудің басталуына қатысты әлі шешілмеген мәселелер болғандықтан, ол әлі де жиі сілтеме жасалады. Свердруптың гипотезасы енгізілгеннен бері болашақ зерттеулер үшін негіз болды және оның негізгі қағидаларын зерттейтін көптеген зерттеулерге мүмкіндік берді. Пәнаралық білім мен технологиялық қабілеттердің дамуы Свердруптың негізгі теориясын, оның бастапқы жарияланған кезде қол жетімсіз болған әдістерді пайдаланып, сыни тереңдік тұрғысынан кеңейтуді жеңілдетті. Көптеген зерттеулер қазіргі заманғы бақылаулар мен модельдеу тәсілдерін қолдана отырып, теорияның кемшіліктерін жоюға тырысады, сондай-ақ әртүрлі биологиялық және физикалық процестердің көктемгі гүлдеудің басталуына, сыни тереңдіктен өзге, қалай әсер ететінін түсіндіруге ұмтылады. Бұл басталу механизмдерін сипаттайтын бірнеше теорияларға әкелді, олар бастапқы теорияға қосымша күрделілік қосты. Физиологиялық ерекшеліктер, жайылым, қоректік заттардың қолжетімділігі және жоғарғы мұхит физикасының рөлін қарастыратын теориялар көктемгі гүлдеуді зерттеудегі маңызды салалар болып табылады.

Сұйытуды қайта қосу гипотезасы

Майкл Беренфельд жыл сайынғы көктемгі гүлденудің пайда болуын түсіндіру үшін "сусынуды қайта байланыстыру гипотезасын" ұсынады. Ол фитопланктонның өсуі шығындармен теңдестірілетінін, ал бұл тепе-теңдік маусымдық өзгеретін физикалық процестермен бақыланатынын атап өтті. Ол оңтайлы өсу жағдайларының пайда болуы хищниктер мен жемнің өсуіне мүмкіндік беретінін, нәтижесінде олардың арасындағы өзара әрекеттесу күшейетінін, хищник-жем өзара әрекеттесуін қайта жандандыратынын айтты. Ол бұл қатынасты қыста су қабатының терең болуы және су бағанының қабаттануының минималды болуы кезінде "сусынып" (өзара әрекеттесудің азаюы) алатынын сипаттайды. Лэндри мен Хассетт (1982) да осыған ұқсас байқауларды сипаттады. Беренфельдтің гипотезасын қолдайтын ең маңызды дәлел – фитопланктон гүлденуі, фитопланктон концентрациясы сусынып, аралас қабаттың беттесуі болжаған оңтайлы өсу жағдайларынан бұрын пайда болады. Су қабаты қабатталып, зоопланктонның биомассасы артқанда, жайылым күшейеді және фитопланктонның биомассасы уақыт өте келе төмендейді. Беренфельдтің зерттеулері сондай-ақ тыныс алуды фитопланктон өсуіне кері пропорционалды деп моделеді (өсу жылдамдығы төмендегенде, тыныс алу жылдамдығы артады). Беренфельдтің моделі фитопланктон өсу жылдамдығы мен аралас қабат тереңдігі арасындағы Свердруптың моделінен өзгеше қатынасты ұсынады: ол қабат ең терең және фитопланктон ең сусынып болған кезде максималды болады.

Критикалық турбуленттік гипотеза

Свердруптың моделінің тағы бір кемшілігі – ол аралас қабаттағы белсенді турбуленттіліктің рөлін ескермегендігі болды. Жоғарғы мұхит турбуленттілігі көптеген көздерден туындайды, оның ішінде жылу конвекциясы, жел, толқындар және Лангмуир айналымы бар. Huisman және авторлар тобынан айырмашылығы, олар өз моделінде тұрақты диффузияның орнына вертикальды өзгеретін турбулентті диффузияны қолданды, температура мен тығыздық вертикальды тұрақты болғанда, бірақ турбуленттіліктің қарқындылығы болмағанда аралас қабаттың шынымен «толық араласқан» екеніне қатысты мәселені қарастырды. Энрикез және Тейлор (2015) Тейлор мен Ферраридің жұмысын одан әрі дамытып, көктемгі гүлденудің басталуына жылулық конвективті араластырудың және желдің әсерінен туындаған араластырудың ықпалын салыстыру үшін LES моделін қолданды. Желдің қысымы мен беттік жылу ағынына әртүрлі мәндер беріп, олар LES моделін пайдаланып араластыру тереңдігі мен турбулентті диффузия үшін параметрлерді жасап, фитопланктон моделіне жауапты бақылау үшін қолданды. Олар гүлденудің алдын алу үшін желдің аз турбуленттілігі қажет екенін (Тейлор мен Ферраридің нәтижелерімен сәйкес) және желдің қысымы мен жылу ағыны бір-бірімен өзара әрекеттеседі, сондықтан (мысалы, қыс аясында) беттік жылудың қосылуы гүлденуді болдырмау үшін қажетті желдің қысымының қарқындылығын күрт арттырады екенін анықтады. Бұл зерттеулер көктемгі гүлденуді тежеудегі турбуленттіліктің әртүрлі көздерінің маңыздылығына қатысты мәселелерді қарастырады. Brody & Lozier (2015) аралас қабаттағы белсенді араластыру тереңдігі көктемгі гүлденудің уақытын анықтайды деген пікірді де қолдайды. Лагранж флоты мен глайдерлерді пайдаланып, олар белсенді араластыру профильдерінің байқау деректерін биомасса тереңдігі профильдерімен салыстыра отырып, аралас қабаттың турбуленттілігінің төмендеуін фотосинтез белсенділігінің артуымен байланыстыра алды.

Қабатталудың басталуы

Стивен Чизвелл біріншілік өнімнің жылдық циклын және қоңыржай сулардағы көктемгі гүлденудің пайда болуын сипаттау үшін «Стратификация гипотезасының басталуы» деген теорияны ұсынады. Чизвелл Бехренфельдтің байқауларын көктемгі гүлденудің терең араласқан режимнен жарықпен басқарылатын беттік режимге өтуді білдіретін дәстүрлі идеяға сәйкес түсіндіруге болатынын көрсетеді. Чизвелл Критикалық тереңдік гипотезасының кемшілігі бар екенін көрсетеді, себебі оның негізгі болжамы – фитопланктонның жоғарғы аралас қабатта жақсы араласып кетуі – дұрыс емес. Оның орнына Чизвелл планктонның көктем мен күзде ғана жоғарғы аралас қабатта жақсы араласатынын, ал көктемде стратификацияның басталуымен беттік жақын, жылы қабаттар пайда болатынын ұсынады. Осы қабаттар көктемгі гүлденуді қолдайды. Стратификацияның басталуы гипотезасында Чизвелл екі гипотетикалық мұхитты талқылайды. Бір мұхит Беренфельд талқылағанға ұқсас, онда су бағанының жалпы өндірісі қыста оң болуы мүмкін, ал екінші гипотетикалық мұхит – қыстағы таза өндіріс теріс болатын мұхит. Осылайша, Чизвелл сұйытуды қайта байланыстыру гипотезасының механизмдері көктемгі гүлденудің себебі емес, екіншілік екенін айтады.