Дельская вертикальная миграция ( DVM ), также известная как суточная вертикальная миграция , представляет собой модель передвижения, используемую некоторыми организмами, такими как копеподы , живущими в океане и озерах . Прилагательное «диэль» ( IPA : / ˈ d aɪ . ə l / , / ˈ d iː . əl / ) происходит от латыни : diēs , букв. «день» и относится к 24-часовому периоду. Миграция происходит , когда организмы ночью поднимаются к самому верхнему слою воды , а днем возвращаются на дно дневной зоны океанов или в плотный придонный слой озер. [2] DVM важен для функционирования глубоководных пищевых сетей и биологической секвестрации углерода . [3]
По биомассе DVM является крупнейшей синхронной миграцией в мире. [4] [2] Он не ограничивается каким-либо одним таксоном, примеры известны из ракообразных ( веслоногих ), [5] моллюсков ( кальмаров ), [6] и лучепёрых рыб ( форели ). [7]
Это явление может быть выгодным по ряду причин, чаще всего для доступа к пище и предотвращения хищников. [8] Его вызывают различные стимулы, наиболее заметными из которых являются изменения интенсивности света, [8] хотя данные свидетельствуют о том, что биологические часы также являются основным стимулом. [9] Хотя эта массовая миграция обычно носит ночной характер: животные поднимаются из глубины с наступлением темноты и спускаются на рассвете, время может меняться в ответ на различные сигналы и стимулы, которые ее запускают. Некоторые необычные события влияют на вертикальную миграцию: DVM может отсутствовать во время полуночного солнца в арктических регионах [10] [11] , а вертикальная миграция может произойти внезапно во время солнечного затмения . [12] Это явление также демонстрирует вариации, вызванные облаками. [13]
Обыкновенный стриж является исключением среди птиц, поскольку он поднимается и опускается на большие высоты в сумерках и на рассвете, подобно вертикальной миграции водных форм жизни.
Впервые это явление было задокументировано французским натуралистом Жоржем Кювье в 1817 году. Он отметил, что дафнии , разновидность планктона , появлялись и исчезали по суточному графику. [4] [14]
Во время Второй мировой войны ВМС США снимали показания гидролокатора океана, когда обнаружили глубокий слой рассеяния (DSL). Во время проведения экспериментов по распространению звука Отдел военных исследований Калифорнийского университета (UCDWR) постоянно получал результаты эхолота, которые показывали отчетливую реверберацию, которую они приписывали рассеивающим веществам среднего слоя воды. В то время высказывались предположения, что эти показания могут быть связаны с подводными лодками противника. [15]
Мартин В. Джонсон из Океанографического института Скриппса предложил возможное объяснение. Работая с UCDWR, исследователи Скриппса смогли подтвердить, что наблюдаемые реверберации от эхолота на самом деле были связаны с суточной вертикальной миграцией морских животных. DSL был вызван большими, плотными группами организмов, таких как зоопланктон, которые разбросали сигналы сонара, создав ложное или второе дно. [4] [14] [15]
Как только ученые начали проводить дополнительные исследования причин DSL, было обнаружено, что широкий спектр организмов мигрирует по вертикали. Большинство типов планктона и некоторые виды нектона демонстрируют тот или иной тип вертикальной миграции, хотя она не всегда является суточной. Эти миграции могут оказывать существенное влияние на мезохищников и высших хищников, модулируя концентрацию и доступность их добычи (например, воздействуя на пищевое поведение ластоногих [ 16] ).
Это наиболее распространенная форма вертикальной миграции. Организмы ежедневно мигрируют на разную глубину толщи воды. Миграция обычно происходит между мелководными поверхностными водами эпипелагиали и более глубокой мезопелагической зоной океана или гиполимнионной зоной озер. [2] Существует три признанных типа суточной вертикальной миграции:
В наиболее распространенной форме - ночной вертикальной миграции - организмы поднимаются на поверхность ближе к сумеркам, остаются на поверхности на ночь, а затем снова мигрируют на глубину на рассвете. [8]
Обратная миграция происходит, когда организмы поднимаются на поверхность на восходе солнца и остаются высоко в толще воды в течение дня, пока не спустятся с заходом солнца. [8]
Сумеречная вертикальная миграция включает в себя две отдельные миграции за один 24-часовой период: первый подъем в сумерках, за которым следует спуск в полночь, что часто называют «полуночным погружением». Второе восхождение на поверхность и спуск на глубину происходит на восходе солнца. [8]
Организмы встречаются на разной глубине в зависимости от сезона. [17] Сезонные изменения окружающей среды могут повлиять на изменения в моделях миграции. Обычная суточная вертикальная миграция видов фораминифер происходит круглый год в полярных регионах; однако во время полуночного солнца не существует дифференциальных световых сигналов, поэтому они остаются на поверхности, чтобы питаться обильным фитопланктоном или способствовать фотосинтезу своих симбионтов. [11] Однако это справедливо не для всех видов и не во все времена. Было замечено, что зоопланктон ресинхронизирует свои миграции со светом луны в периоды, когда солнце не видно, и остается в более глубоких водах, когда луна полная. [4]
Было показано, что более крупный сезонно мигрирующий зоопланктон , такой как зимующие копеподы, переносит значительное количество углерода в глубины океана посредством процесса, известного как липидный насос . [18] Липидный насос — это процесс, который улавливает углерод (в форме богатых углеродом липидов ) из поверхностного океана посредством спуска копепод на глубину осенью. [18] Эти копеподы накапливают эти липиды в конце лета и осенью, прежде чем спуститься на глубину и перезимовать в ответ на снижение первичной продукции и суровые условия на поверхности. [18] [19] Кроме того, они полагаются на эти запасы липидов, которые метаболизируются для получения энергии, чтобы пережить зиму, прежде чем подняться обратно на поверхность весной, обычно в начале весеннего цветения . [18]
Организмы проводят разные стадии своего жизненного цикла на разной глубине. [20] Часто наблюдаются явные различия в моделях миграции взрослых самок копепод, таких как Eurytemora affinis , которые остаются на глубине, совершая лишь небольшое движение вверх в ночное время, по сравнению с остальными стадиями жизни, которые мигрируют на расстояние более 10 метров. Кроме того, существует тенденция, наблюдаемая и у других копепод, таких как виды Acartia . у которых наблюдается возрастающая амплитуда ДВМ с прогрессирующими стадиями жизни. Возможно, это связано с увеличением размера тела копепод и связанным с этим риском появления визуальных хищников, таких как рыбы, поскольку больший размер делает их более заметными. [5]
Известно, что в вертикальной миграции играют роль два типа факторов: эндогенные и экзогенные . Эндогенные факторы происходят из самого организма; пол, возраст, размер, биологические ритмы и т. д. Экзогенные факторы — это факторы окружающей среды, действующие на организм, такие как свет, гравитация, кислород, температура, взаимодействие хищник-жертва и т. д. [21]
Биологические часы — это древнее и адаптивное чувство времени, врожденное для организма, которое позволяет им предвидеть изменения и циклы окружающей среды, чтобы они могли физиологически и поведенчески реагировать на ожидаемые изменения. [9]
Доказательства циркадных ритмов, контролирующих DVM, метаболизм и даже экспрессию генов, были обнаружены у видов веслоногих раков Calanus finmarchicus . Было показано, что эти копеподы продолжают демонстрировать эти ежедневные ритмы вертикальной миграции в лабораторных условиях даже в постоянной темноте после того, как они были отловлены у активно мигрирующей дикой популяции. [9]
В Океанографическом институте Скриппса был проведен эксперимент , в котором организмы содержались в колонных резервуарах с циклами света и темноты. Через несколько дней свет был изменен на постоянный слабый, а организмы все еще демонстрировали вертикальную миграцию. Это говорит о том, что миграция была вызвана какой-то внутренней реакцией. [22]
Многие организмы, в том числе копепод C. finmarchicus , имеют генетический материал, предназначенный для поддержания их биологических часов. Экспрессия этих генов варьируется во времени, причем экспрессия значительно увеличивается после рассвета и заката во время наибольшей вертикальной миграции. Эти результаты могут указывать на то, что они действуют как молекулярный стимул для вертикальной миграции. [9]
Было обнаружено, что относительный размер тела организма влияет на DVM. Бычья форель совершает ежедневные и сезонные вертикальные миграции, при этом более мелкие особи всегда остаются на более глубоких слоях, чем более крупные особи. Скорее всего, это связано с риском нападения хищников, но зависит от размера особи, поэтому более мелкие животные могут быть более склонны оставаться на глубине. [7]
«Свет — наиболее распространенный и важный сигнал вертикальной миграции». [8] Однако по состоянию на 2010 год не было проведено достаточных исследований, чтобы определить, какой аспект светового поля отвечает за это. [8] Исследования 2020 года показали, что важны как интенсивность света, так и его спектральный состав. [23]
Организмы мигрируют на глубину воды с температурой, которая лучше всего соответствует потребностям организмов, например, некоторые виды рыб мигрируют в более теплые поверхностные воды, чтобы способствовать пищеварению. Изменения температуры могут влиять на плавательное поведение некоторых веслоногих ракообразных. При наличии сильного термоклина часть зоопланктона может быть склонна проходить через него и мигрировать в поверхностные воды, хотя это может быть очень изменчиво даже у одного вида. Морской копепод Calanus finmarchicus мигрирует через градиенты с разницей температур в 6 °C над банкой Джорджа ; тогда как в Северном море они остаются ниже градиента. [24]
Изменения солености могут побудить организм искать более подходящую воду, если она стеногалинная или не приспособлена для регулирования осмотического давления. В районах, на которые влияют приливные циклы, сопровождающиеся изменениями солености, например, в эстуариях, может наблюдаться вертикальная миграция некоторых видов зоопланктона. [25] Соленость также была предложена в качестве фактора, регулирующего биогеохимическое воздействие суточной вертикальной миграции. [26]
Было обнаружено, что изменения давления вызывают дифференциальные реакции, которые приводят к вертикальной миграции. Многие зоопланктоны реагируют на повышенное давление положительным фототаксисом, отрицательным геотаксисом и/или кинетической реакцией, которая приводит к подъему в толще воды. Аналогичным образом, когда происходит снижение давления, планктон зоопарка реагирует пассивным погружением или активным плаванием вниз, чтобы опуститься в толщу воды. [25]
Хищник может выпустить химический сигнал , который может заставить его жертву вертикально мигрировать прочь. [27] Это может стимулировать добычу к вертикальной миграции, чтобы избежать нападения хищника. Было показано, что внедрение видов потенциальных хищников, таких как рыбы, в среду обитания суточного вертикально мигрирующего зоопланктона влияет на закономерности распределения, наблюдаемые при их миграции. Например, исследование, в котором использовались дафнии и рыба, которая была слишком маленькой, чтобы на них охотиться ( Lebistus reticulatus ), показало, что при введении рыбы в систему дафния оставалась ниже термоклина , где рыбы не было. Это демонстрирует влияние кайромонов на Daphnia DVM . [24]
Было обнаружено, что некоторые организмы движутся вместе с приливным циклом. В ходе исследования изучалась численность вида мелких креветок Acetes sibogae, и было обнаружено, что они имеют тенденцию перемещаться выше в толще воды и в большем количестве во время приливов, чем во время отливов в устье эстуария. Вполне возможно, что истинным триггером миграции могут быть различные факторы, связанные с приливами, а не движение самой воды, например, соленость или незначительные изменения давления. [25]
Существует множество гипотез относительно того, почему организмы могут вертикально мигрировать, и некоторые из них могут быть верными в любой момент времени. [28]
Универсальность DVM предполагает, что за ней стоит некий мощный общий фактор. Связь между доступным светом и DVM привела исследователей к предположению, что организмы могут оставаться в более глубоких и темных местах в течение дня, чтобы не быть съеденными хищниками, которые зависят от света, чтобы увидеть и поймать свою добычу. Хотя поверхность океана обеспечивает изобилие пищи, для многих видов безопаснее всего посещать ее ночью. [4]
Светозависимое хищничество рыб является распространенным фактором, вызывающим поведение DVM у зоопланктона и криля. Данный водоем можно рассматривать как градиент риска, при котором пребывание в поверхностных слоях в течение дня более рискованно, чем в глубокой воде, и, как таковой, способствует различной продолжительности жизни зоопланктона, который селится на разных дневных глубинах. [29] Действительно, во многих случаях зоопланктону выгодно мигрировать в глубокие воды в течение дня, чтобы избежать нападения хищников, а ночью подниматься на поверхность для кормления. Например, северный криль Meganyctiphanes norvegica подвергается ежедневной вертикальной миграции, чтобы избежать встречи с планктоноядными рыбами. [30]
Модели поведения среди мигрантов, похоже, подтверждают теорию избегания хищников. Во время миграции мигранты будут оставаться группами, и такое поведение может защитить отдельных членов группы от быть съеденными. Группы более мелких и трудных для наблюдения животных начинают миграцию вверх раньше, чем более крупные и более заметные виды, что согласуется с идеей о том, что обнаружение визуальными хищниками является ключевым вопросом. Мелкие существа могут начать мигрировать вверх за 20 минут до захода солнца, тогда как крупные заметные рыбы могут ждать до 80 минут после захода солнца. Виды, которые лучше умеют избегать хищников, также имеют тенденцию мигрировать раньше тех, у кого худшие способности к плаванию. Кальмары являются основной добычей дельфинов Риссо ( Grampus griseus ), хищника, дышащего воздухом, но для охоты он полагается на акустическую, а не визуальную информацию. Кальмары задерживают миграцию примерно на 40 минут, когда рядом находятся дельфины, что снижает риск, кормясь позже и в течение более короткого времени. [4] [31]
Другая возможность заключается в том, что хищники могут извлечь выгоду из ежедневной вертикальной миграции как стратегии сохранения энергии. Исследования показывают, что самцы акулы ( Scyliorhinus canicula ) следуют стратегии «охота в тепле – отдых в прохладе», которая позволяет им снизить ежедневные затраты энергии. Они остаются в теплой воде лишь на время, необходимое для получения пищи, а затем возвращаются в более прохладные места, где их метаболизм может происходить медленнее. [31] [32] [33]
Альтернативно, организмы, питающиеся дном в холодной воде в течение дня, могут ночью мигрировать в поверхностные воды, чтобы переварить пищу при более высоких температурах. [34]
Организмы могут использовать глубокие и мелкие течения для поиска участков питания или сохранения географического положения.
Солнечный свет может проникать в толщу воды. Если организм, особенно что-то маленькое, например микроб , находится слишком близко к поверхности, УФ-излучение может его повредить. Поэтому им хотелось бы избегать слишком близкого приближения к поверхности, особенно в дневное время. [35] [36]
Теория, известная как «гипотеза регулятора прозрачности», предсказывает, что «относительная роль УФ-излучения и визуального давления хищников будет систематически меняться в зависимости от градиента прозрачности озера». [35] [36] В менее прозрачных водах, где присутствуют рыбы и Доступно больше пищи, рыба, как правило, является основным фактором DVM. В более прозрачных водоемах, где рыбы меньше, а качество пищи улучшается на более глубоких водах, ультрафиолетовый свет может распространяться дальше, действуя таким образом в качестве основного фактора DVM. такие случаи [37]
Из-за особых типов стимулов и сигналов, используемых для инициирования вертикальной миграции, аномалии могут радикально изменить картину.
Например, появление полуночного солнца в Арктике вызывает изменения в планктонной жизни, которая обычно представляет собой DVM с 24-часовым циклом ночи и дня. Летом в Арктике северный полюс Земли направлен к Солнцу, что создает более длинные дни, а в высоких широтах дневной свет длится более 24 часов. [10] Было замечено, что виды фораминифер, обитающие в океане, прекращают свой образ жизни DVM и скорее остаются на поверхности, предпочитая питаться фитопланктоном. [38] Например, Neogloboquadrina pachyderma , а те виды, которые содержат симбионтов, такие как Turborotalita quinqueloba , остаются на солнечном свете, чтобы способствовать фотосинтезу. [11] Установлено, что изменения в морском льду и концентрации хлорофилла на поверхности являются более сильными факторами, определяющими вертикальную среду обитания арктической N. pachyderma . [38]
Есть также свидетельства изменений в моделях вертикальной миграции во время солнечных затмений. В моменты, когда солнце закрывается в обычные дневные световые часы, происходит внезапное резкое снижение интенсивности света. Сниженная интенсивность света повторяет типичное освещение в ночное время, которое стимулирует миграцию планктонных организмов. Во время затмения распространение некоторых видов копепод концентрируется вблизи поверхности, например, Calanus finmarchicus демонстрирует классический образец суточной миграции, но во время затмения в гораздо более коротком временном масштабе. [12]
Биологический насос — это преобразование CO 2 и неорганических питательных веществ посредством фотосинтеза растений в твердые органические вещества в эвфотической зоне и перенос их в более глубокие слои океана. [40] Это важный процесс в океане, и без вертикальной миграции он не был бы столь эффективным. Глубокий океан получает большую часть своих питательных веществ из верхних слоев воды, когда они опускаются в виде морского снега . Он состоит из мертвых или умирающих животных и микробов, фекалий, песка и других неорганических материалов.
Ночью организмы мигрируют вверх, чтобы питаться, поэтому, когда они днем мигрируют обратно на глубину, они испражняются большими тонущими фекальными шариками. [40] Хотя некоторые более крупные фекальные гранулы могут тонуть довольно быстро, скорость, с которой организмы возвращаются на глубину, все же выше. Ночью организмы находятся в верхних 100 метрах толщи воды, а днем они опускаются на глубину от 800 до 1000 метров. Если бы организмы испражнялись на поверхности, фекальным гранулам потребовались бы дни, чтобы достичь глубины, которой они достигают за считанные часы. Таким образом, выбрасывая фекальные гранулы на глубину, им приходится преодолевать почти на 1000 метров меньше пути, чтобы добраться до глубокого океана. Это известно как активный транспорт . Организмы играют более активную роль в перемещении органического вещества на глубину. Поскольку большая часть глубоководных организмов, особенно морских микробов, зависит от падающих вниз питательных веществ, чем быстрее они достигнут дна океана, тем лучше.
Большую роль в активном транспорте фекальных гранул играют зоопланктон и сальпы . По оценкам, 15–50% биомассы зоопланктона мигрирует, что составляет перенос 5–45% органического азота в виде частиц на глубину. [40] Сальпы — это крупный студенистый планктон, который может вертикально мигрировать на 800 метров и поедать большое количество пищи на поверхности. У них очень длительное время удержания в кишечнике, поэтому фекальные гранулы обычно выделяются на максимальную глубину. Сальпы также известны тем, что содержат одни из самых крупных фекальных гранул. Из-за этого они имеют очень большую скорость погружения, на них, как известно, агрегируются мелкие частицы детрита . Из-за этого они тонут намного быстрее. Как упоминалось ранее, липидный насос представляет собой значительный поток ПОУ (частиц органического углерода) в глубокие глубины океана в форме липидов, вырабатываемых крупными зимующими копеподами. [18] Во время зимовки эти липиды осенью транспортируются на глубину и метаболизируются на глубинах ниже термоклина в течение зимы, прежде чем копеподы поднимаются на поверхность весной. [18] Метаболизм этих липидов снижает содержание POC на глубине, одновременно производя CO 2 в качестве отходного продукта, что в конечном итоге вносит потенциально значительный вклад в секвестрацию углерода в океане . [18] Хотя поток липидного углерода из липидного насоса, как сообщается, сравним с глобальным потоком POC из биологического насоса, наблюдательные проблемы с липидным насосом из-за недостаточного круговорота питательных веществ , [41] [42] [43] и методы улавливания затруднили его включение в глобальный поток экспорта углерода. [19] [44] [45] Таким образом, хотя в настоящее время все еще проводится много исследований о том, почему организмы вертикально мигрируют, ясно, что вертикальная миграция играет большую роль в активном переносе растворенного органического вещества на глубину. [46]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )