Фототический слой моря: освещенная зона и жизнь в ней.

Введение

Самый верхний слой столба морской воды, освещаемый солнечным светом.

Зона солнечного света простирается на глубину 200 метров. Фототическая зона, эуфотическая зона, эпипелагическая зона или зона солнечного света – это верхний слой водоема, получающий солнечный свет, что позволяет фитопланктону осуществлять фотосинтез. В этой зоне происходят различные физические, химические и биологические процессы, обеспечивающие поступление питательных веществ в верхние слои воды. Фототическая зона является средой обитания для большинства водных организмов благодаря активности (первичной продукции) фитопланктона. Толщина фотической и эуфотической зон меняется в зависимости от интенсивности солнечного света, которая определяется сезоном и широтой, а также от степени прозрачности воды. Самая нижняя, или афотическая, зона – это область вечной темноты, расположенная ниже фотической зоны и включающая в себя большую часть океанских вод.

Фотосинтез в фотической зоне

В фотозоне скорость фотосинтеза превышает скорость дыхания. Это обусловлено обилием солнечной энергии, которая используется первичными продуцентами, такими как фитопланктон, в качестве источника энергии для фотосинтеза. Фитопланктон растет чрезвычайно быстро под сильным воздействием солнечного света, что обеспечивает его быстрое воспроизводство. Фактически, девяносто пять процентов фотосинтеза в океане происходит именно в фотозоне. Следовательно, при погружении глубже, за пределы фотозоны, например, в точку компенсации, количество фитопланктона резко сокращается или отсутствует вовсе из-за недостатка солнечного света. Зона, простирающаяся от основания эвфотической зоны до афотической зоны, иногда называется дисфотической зоной.

Жизнь в фотической зоне

Девяносто процентов морской жизни обитает в фотической зоне, глубина которой составляет примерно двести метров. Это включает фитопланктон (растения), в том числе динофлагелляты, диатомовые водоросли, цианобактерии, коколитофоры и криптомонады. Также сюда входят зоопланктон – потребители в фотической зоне. Среди них есть плотоядные и травоядные. Далее, копеподы – это мелкие ракообразные, широко распространенные в фотической зоне. Наконец, нектон (животные, способные к самостоятельному передвижению, такие как рыбы, кальмары и крабы) – самые крупные и заметные обитатели фотической зоны, но их численность наименьшая среди всех групп. Фитопланктон – это микроскопические растения, свободно плавающие в толще воды и обладающие ограниченной или отсутствующей подвижностью. Они являются первичными продуцентами, использующими солнечную энергию в качестве источника питания. Детритофаги и падальщики встречаются в фотической зоне редко. Микробное разложение мертвых организмов начинается здесь и продолжается по мере опускания останков в афотическую зону, где они становятся важнейшим источником питательных веществ для глубоководных организмов. Глубина фотической зоны зависит от прозрачности воды. При высокой прозрачности она может быть очень большой, а при сильной мутности – всего пятнадцать метров. Животные, обитающие в фотической зоне, используют цикл смены дня и ночи как важный экологический сигнал, и миграция напрямую связана с этим. Рыбы ориентируются по сумеркам и рассвету, определяя время для миграции, а фотическая зона имитирует этот цикл, давая ощущение времени. К таким животным относятся сельдь, сардины и другие рыбы, постоянно обитающие в фотической зоне.

Поглощение питательных веществ в фотозоне

Из-за биологического поглощения, фотическая зона характеризуется относительно низкими концентрациями питательных веществ. В результате, фитопланктон не получает достаточного количества питательных веществ при высокой стабильности водной толщи. Пространственное распределение организмов может определяться множеством факторов. К физическим факторам относятся: температура, гидростатическое давление, турбулентное перемешивание, такое как восходящий турбулентный поток неорганического азота через нутриклин. К химическим факторам относятся кислород и микроэлементы. К биологическим факторам относятся выпас и миграции. Апвеллинг доставляет питательные вещества из глубоких вод в фотическую зону, стимулируя рост фитопланктона. Перемешивание и апвеллинг в конечном итоге возвращают богатые питательными веществами отходы обратно в фотическую зону. Транспорт Экмена дополнительно приносит питательные вещества в фотическую зону. Частота поступления питательных веществ влияет на конкуренцию между видами фитопланктона. Фотосинтез производит их в большем количестве. Являясь первым звеном пищевой цепи, изменения в состоянии фитопланктона вызывают каскадный эффект для других видов. Помимо фитопланктона, в этой зоне обитает множество других животных, использующих эти питательные вещества. Большая часть морской жизни сосредоточена в фотической зоне, которая является самой маленькой океанической зоной по объему воды. Несмотря на свои небольшие размеры, фотическая зона оказывает значительное влияние на её обитателей.

Глубина фотической зоны

Глубина, по определению, – это глубина, на которой излучение ослабевает до 1% от его интенсивности на поверхности. Соответственно, ее величина зависит от степени поглощения света в толще воды. Поскольку входящий на поверхность свет может значительно варьироваться, это мало что говорит о чистом росте фитопланктона. Типичные глубины евфотической зоны колеблются от нескольких сантиметров в сильно замутненных эвтрофических озерах до примерно 200 метров в открытом океане. Она также меняется в зависимости от сезонных изменений мутности, которые могут быть тесно связаны с концентрацией фитопланктона, в результате чего глубина фототической зоны часто уменьшается с увеличением первичной продуктивности. Более того, скорость дыхания фактически превышает скорость фотосинтеза. Важность продукции фитопланктона заключается в его значительной роли в составе других трофических сетей.

Затухание света

Большая часть солнечной энергии, достигающей Земли, приходится на диапазон видимого света с длиной волны от 400 до 700 нм. Каждый цвет видимого света имеет уникальную длину волны, и вместе они образуют белый свет. Самые короткие длины волн находятся в фиолетовой и ультрафиолетовой части спектра, а самые длинные – в красной и инфракрасной. Между ними располагаются цвета видимого спектра, известные как ROYGBIV: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Вода очень эффективно поглощает свет, поэтому количество света, проникающего в океан, быстро уменьшается (ослабевает) с глубиной. На глубине одного метра остаётся лишь 45% солнечной энергии, падающей на поверхность океана. На глубине 10 метров сохраняется уже только 16% света, а на глубине 100 метров – всего 1% от первоначального количества. Свет не проникает глубже 1000 метров. Примером прокси-данных является использование изотопных данных диатомовых водорослей δ13C, δ18O, δ30Si (δ13Cdiatom, δ18Odiatom и δ30Sidiatom). В 2015 году Сванн и Снеллинг использовали эти изотопные данные для документирования исторических изменений условий в фотической зоне северо-западной части Тихого океана, включая поступление питательных веществ и эффективность биологического насоса мягких тканей, начиная с современности и до стадии морских изотопов 5e, которая соответствует последнему межледниковому периоду. Пики продуктивности опала на стадии морских изотопов связаны с разрушением региональной галоклинной стратификации и увеличением поступления питательных веществ в фотическую зону. Первичное развитие галоклина и стратифицированного водного столба связывают с началом крупного оледенения Северного полушария 2,73 млн лет назад, что привело к увеличению притока пресной воды в регион за счёт усиления муссонных осадков и/или таяния ледников, а также к изменению температуры поверхности моря. Уменьшение подъёма глубинных вод, связанное с этим, могло способствовать установлению глобально более холодных условий и расширению ледников в Северном полушарии начиная с 2,73 млн лет назад. Другие исследования показали, что граница стратификации могла разрушаться в позднем четвертичном периоде во время окончания ледниковых периодов и в начале межледников. Увеличение количества фитопланктона также приводит к увеличению численности зоопланктона, который питается фитопланктоном, поскольку занимает нижний уровень пищевой цепи.

Most of the solar energy reaching the Earth is in the range of visible light, with wavelengths between about 400 700 nm. Each colour of visible light has a unique wavelength, and together they make up white light. The shortest wavelengths are on the violet and ultraviolet end of the spectrum, while the longest wavelengths are at the red and infrared end. In between, the colours of the visible spectrum comprise the familiar “ROYGBIV”; red, orange, yellow, green, blue, indigo, and violet. Water is very effective at absorbing incoming light, so the amount of light penetrating the ocean declines rapidly (is attenuated) with depth. At one metre depth only 45% of the solar energy that falls on the ocean surface remains. At 10 metres depth only 16% of the light is still present, and only 1% of the original light is left at 100 metres. No light penetrates beyond 1000 metres. An example of proxies is the use of diatom isotope records of δ13C, δ18O, δ30Si (δ13Cdiatom, δ18Odiatom, and δ30Sidiatom). In 2015, Swann and Snelling used these isotope records to document historic changes in the photic zone conditions of the north west Pacific Ocean, including nutrient supply and the efficiency of the soft tissue biological pump, from the modern day back to marine isotope stage 5e, which coincides with the last interglacial period. Peaks in opal productivity in the marine isotope stage are associated with the breakdown of the regional halocline stratification and increased nutrient supply to the photic zone. The initial development of the halocline and stratified water column has been attributed to the onset of major Northern Hemisphere glaciation at 2.73 Ma, which increased the flux of freshwater to the region, via increased monsoonal rainfall and/or glacial meltwater, and sea surface temperatures. The decrease of abyssal water upwelling associated with this may have contributed to the establishment of globally cooler conditions and the expansion of glaciers across the Northern Hemisphere from 2.73 Ma. other studies have shown that the stratification boundary may have broken down in the late Quaternary at glacial terminations and during the early part of interglacials. An increase in the amount of phytoplankton also creates an increase in zooplankton, the zooplankton feeds on the phytoplankton as they are at the bottom of the food chain.

Диметилсульфид

Потеря диметилсульфида в фотической зоне контролируется микробиологическим поглощением и фотохимическим разложением. Но что же такое диметилсульфид и почему он важен? Это соединение (см. фото) играет важную роль в регулировании круговорота серы и экологии океана. Морские бактерии, водоросли, кораллы и большинство других морских организмов выделяют его, что отражается в разнообразии соответствующих семейств генов. Однако это соединение токсично для человека при проглатывании, всасывании через кожу и вдыхании. Белки в растениях и животных зависят от этого соединения, что делает его значимой частью экологии. Важно знать, что диметилсульфид присутствует и в фотической зоне.