Глубокое море

Глубокое море или глубокий слой [1] самый низкий слой в океане , существующей ниже термоклина и над морским дном , на глубине 1000 саженей (1800 м) или более. В эту часть океана проникает мало или совсем нет света, и большинство организмов, которые там живут, полагаются на пропитание падающим органическим веществом, образующимся в фотической зоне . По этой причине ученые когда-то предполагали, что жизнь в глубоком океане будет редкой, но практически каждый зонд показал, что, наоборот, жизнь в глубоком океане изобилует.

Глубоководные зоны

В 1960 году « Батискаф Триест» спустился на дно Марианской впадины недалеко от Гуама , на глубину 10911 м (35,797 футов), самое глубокое из известных мест в любом океане. Если бы гора Эверест (8848 метров) оказалась там под водой, ее вершина была бы более чем на милю ниже поверхности. После того, как Trieste был списан, японский дистанционно управляемый аппарат (ROV) Kaikō был единственным судном, способным достигать этой глубины, пока он не был потерян в море в 2003 году. [2] В мае и июне 2009 года гибридный ROV (HROV). Нерей вернулся в Глубину Челленджера, чтобы совершить серию из трех погружений на глубину, превышающую 10900 метров.

Было высказано предположение, что о Луне известно больше, чем о самых глубоких частях океана. [3] Предполагалось, что жизнь на дне океана зависит исключительно от падающего органического вещества и, следовательно, в конечном итоге от солнца в качестве источника энергии до открытия процветающих колоний креветок и других организмов вокруг гидротермальных источников в конце 1970-х годов. Новые открытия выявили группы существ, которые получали питательные вещества и энергию непосредственно из термальных источников и химических реакций, связанных с изменениями в месторождениях полезных ископаемых. Эти организмы процветают в полностью темной и анаэробной среде в сильно соленой воде, которая может достигать 300 ° F (150 ° C), питаясь сероводородом , который очень токсичен почти для всей земной жизни. [ необходима цитата ] Революционное открытие того, что жизнь может существовать в этих экстремальных условиях, изменило мнение о шансах существования жизни в другом месте во Вселенной. Ученые теперь полагают , что Европа , один из Юпитера лун «s, может быть в состоянии поддерживать жизнь под его ледяной поверхностью, где есть данные [4] глобального океана жидкой воды.

Свет

Естественный свет не проникает в глубины океана, за исключением верхних частей мезопелагиали . Поскольку фотосинтез невозможен, растения и фитопланктон не могут жить в этой зоне, а поскольку они являются основными продуцентами почти всех экосистем Земли, жизнь в этой части океана должна зависеть от источников энергии из других источников. За исключением областей, близких к гидротермальным источникам, эта энергия исходит от органического материала, дрейфующего вниз из фотической зоны . Тонущий органический материал состоит из частиц водорослей, детрита и других форм биологических отходов, которые вместе называются морским снегом . [ необходима цитата ]

Давление

Поскольку давление в океане увеличивается примерно на 1 атмосферу на каждые 10 метров глубины, давление, испытываемое многими морскими организмами, чрезвычайно велико. До недавнего времени у научного сообщества не было подробной информации о влиянии давления на большинство глубоководных организмов, потому что обнаруженные образцы прибывали на поверхность мертвыми или умирающими и не наблюдались при давлениях, при которых они жили. С появлением ловушек со специальной камерой для поддержания давления неповрежденные крупные многоклеточные животные были извлечены из морских глубин в хорошем состоянии. [ необходима цитата ]

Соленость

Соленость во всем глубоком море удивительно постоянна - около 35 частей на тысячу. [5] Есть некоторые незначительные различия в солености, но не экологически значимые, за исключением Средиземного и Красного морей.

Температура

Термоклин тропического океана.

Две области наибольшего температурного градиента в океанах - это переходная зона между поверхностными водами и глубинными водами, термоклин и переход между глубоководным дном и потоками горячей воды в гидротермальных жерлах. Толщина термоклина варьируется от нескольких сотен метров до почти тысячи метров. Ниже термоклина водная масса глубокого океана холодная и гораздо более однородная . Термоклины наиболее сильны в тропиках, где температура эпипелагиали обычно выше 20 ° C. От основания эпипелагии температура опускается на несколько сотен метров до 5 или 6 ° C на высоте 1000 метров. Он продолжает снижаться к основанию, но скорость намного медленнее. Холодная вода возникает из-за опускания тяжелых поверхностных вод в полярных регионах . [5]

На любой заданной глубине температура практически не меняется в течение длительных периодов времени, без сезонных изменений и с очень небольшой межгодовой изменчивостью. Никакая другая среда обитания на земле не имеет такой постоянной температуры. [6]

В гидротермальных источниках температура воды, выходящей из дымовых труб «черного курильщика», может достигать 400 ° C (она удерживается от кипения за счет высокого гидростатического давления), а через несколько метров она может упасть до 2 до 4 ° C. [7]

Области ниже эпипелагиали делятся на дополнительные зоны, начиная с мезопелагиали, которая простирается от 200 до 1000 метров ниже уровня моря, где проникает так мало света, что первичная продукция становится невозможной. Ниже этой зоны начинается глубокое море, состоящее из афотических батипелагических , абиссопелагических и гадопелагических . Пища состоит из падающего органического вещества, известного как « морской снег », и туш, полученных из продуктивной зоны выше, и ее мало как с точки зрения пространственного, так и временного распределения. [ необходима цитата ]

Вместо того, чтобы полагаться на газ для своей плавучести, многие глубоководные виды имеют желеобразную плоть, состоящую в основном из гликозаминогликанов , что обеспечивает им очень низкую плотность. [8] Среди глубоководных кальмаров также распространено объединение студенистой ткани с флотационной камерой, заполненной целомической жидкостью, состоящей из отходов метаболизма хлорида аммония , который легче окружающей воды.

У среднеглубинных рыб есть особые приспособления, чтобы справляться с этими условиями - они маленькие, обычно менее 25 сантиметров (10 дюймов); у них медленный метаболизм и неспециализированная диета, они предпочитают сидеть и ждать еды, а не тратить энергию на ее поиски. У них удлиненное тело со слабыми водянистыми мышцами и скелетными структурами. У них часто бывают выдвижные шарнирные челюсти с загнутыми зубами. Из-за редкого распространения и недостатка света найти партнера для размножения сложно, и многие организмы являются гермафродитами .

Поскольку света очень мало, у рыб часто бывают большие, чем обычно, трубчатые глаза, состоящие только из палочек . Их направленное вверх поле зрения позволяет им находить силуэт возможной добычи. Однако у хищных рыб есть приспособления, чтобы справляться с хищниками . Эти адаптации в основном связаны с уменьшением силуэтов, формой маскировки . Двумя основными методами, с помощью которых это достигается, являются уменьшение площади их тени за счет бокового сжатия тела и противодействие освещению за счет биолюминесценции . Это достигается за счет получения света от вентральных фотофоров , которые, как правило, производят такой световой поток, чтобы придать нижней стороне рыбы внешний вид, подобный фоновому свету. Для более чувствительного зрения при слабом освещении у некоторых рыб есть ретрорефлектор за сетчаткой . У рыб-фонариков есть этот плюс фотофоры , комбинация которых они используют для обнаружения блеска глаз у других рыб (см. Tapetum lucidum ). [ необходима цитата ]

Организмы в глубоком море почти полностью зависят от тонущего живого и мертвого органического вещества, которое падает примерно на 100 метров в день. [9] Кроме того, только от 1 до 3% продукции с поверхности достигает морского дна, в основном в виде морского снега. Также случаются более крупные падения пищи, такие как туши китов , и исследования показали, что это может происходить чаще, чем считается в настоящее время. Есть много падальщиков, которые в основном или полностью питаются крупными падениями пищи, а расстояние между тушами китов оценивается всего в 8 километров. [10] Кроме того, существует ряд фильтров-питателей, которые питаются органическими частицами с помощью щупалец, например Freyella elegans . [11]

Морские бактериофаги играют важную роль в круговороте питательных веществ в глубоководных отложениях. Их чрезвычайно много (от 5 × 10 12 до 1 × 10 13 фагов на квадратный метр) в отложениях по всему миру. [12]

Несмотря на то, что глубоководные организмы настолько изолированы, они все еще страдают от взаимодействия человека с океанами. Лондонская конвенция [13] направлена на защиту морской среды от захоронения отходов , таких как осадок сточных вод [14] и радиоактивных отходов . Исследование показало, что в одном регионе с 2007 по 2011 год произошло сокращение количества глубоководных кораллов, причем это сокращение объясняется глобальным потеплением и закислением океана, а биоразнообразие, по оценкам, находится на самом низком уровне за 58 лет. [15] Окисление океана особенно вредно для глубоководных кораллов, потому что они состоят из арагонита, легко растворимого карбоната, а также потому, что они особенно медленно растут, и на их восстановление уйдут годы. [16] Глубоководное траление также наносит ущерб биоразнообразию, разрушая глубоководные среды обитания, на формирование которых могут уйти годы. [17] Еще одна деятельность человека, которая изменила глубоководную биологию, - это добыча полезных ископаемых. Одно исследование показало, что на одном участке добычи популяции рыб уменьшились через шесть месяцев и через три года, и что через двадцать шесть лет популяции вернулись к тем же уровням, что и до нарушения. [18]

Хемосинтез

Есть ряд видов, которые в основном не полагаются на растворенное органическое вещество в своей пище, и они обитают в гидротермальных источниках . Одним из примеров является симбиотическая связь между трубчатым червем Riftia и хемосинтетическими бактериями. Именно этот хемосинтез поддерживает сложные сообщества, которые можно найти вокруг гидротермальных источников. Эти сложные сообщества - одна из немногих экосистем на планете, которые не зависят от солнечного света в качестве источника энергии. [19]

Адаптация к гидростатическому давлению

Глубоководные рыбы имеют разные адаптации в своих белках, анатомических структурах и метаболических системах, чтобы выжить в глубоком море , где обитателям приходится выдерживать большое количество гидростатического давления. В то время как другие факторы, такие как наличие пищи и избегание хищников, важны, глубоководные организмы должны обладать способностью поддерживать хорошо отрегулированную метаболическую систему перед лицом высокого давления. [20] Чтобы приспособиться к экстремальным условиям окружающей среды, эти организмы развили уникальные характеристики.

На белки сильно влияет повышенное гидростатическое давление, так как они претерпевают изменения в организации воды во время реакций гидратации и дегидратации, связанных с событиями связывания. Это связано с тем, что большинство взаимодействий фермент-лиганд формируются посредством заряженных или полярных незаряженных взаимодействий. Поскольку гидростатическое давление влияет как на сворачивание белка, так и на сборку и ферментативную активность, глубоководные виды должны претерпевать физиологические и структурные адаптации, чтобы сохранить функциональность белка против давления. [20] [21]

Актин - это белок, который необходим для различных клеточных функций. Α-актин служит основным компонентом мышечных волокон, и он очень консервативен у многих различных видов. У некоторых глубоководных рыб выработалась устойчивость к давлению благодаря изменению механизма действия их α-актина. У некоторых видов, обитающих на глубине более 5000 м, C.armatus и C.yaquinae имеют специфические замены в активных центрах α-актина, который служит основным компонентом мышечных волокон. [22] Предполагается, что эти конкретные замены, Q137K и V54A из C.armatus или I67P из C.yaquinae , важны для устойчивости к давлению. [22] Замена в активных центрах актина приводит к значительным изменениям в структуре солевых мостиков белка, что позволяет лучше стабилизировать связывание АТФ и расположение субъединиц, что подтверждается анализом свободной энергии и моделированием молекулярной динамики. [23] Было обнаружено, что глубоководные рыбы имеют больше солевых мостиков в актинах по сравнению с рыбами, населяющими верхние зоны моря. [22]

Что касается замены белка, то в глубоководных рыбах при высоком гидростатическом давлении было обнаружено изобилие специфических осмолитов . Для некоторых хондрихтианов было обнаружено, что N-оксид триметиламина (ТМАО) увеличивается с глубиной, замещая другие осмолиты и мочевину. [24] Благодаря способности ТМАО защищать белки от белков, дестабилизирующих высокое гидростатическое давление, регулировка осмолита является важной адаптацией для глубоководных рыб, чтобы выдерживать высокое гидростатическое давление.

Глубоководные организмы обладают молекулярной адаптацией для выживания и процветания в глубоких океанах. Мариана ультраабиссаль липаровой разработала модификацию в Остеокальцине ( bglap ) гена, где было обнаружено преждевременное прекращение гена. [21] Ген остеокальцина регулирует развитие костей и минерализацию тканей, и мутация сдвига рамки считывания, по-видимому, привела к образованию открытого черепа и костной ткани на основе хряща. [21] Из-за высокого гидростатического давления в глубоком море закрытые черепа, которые развиваются организмы, живущие на поверхности, не могут противостоять усиливающему стрессу. Точно так же обычные костные образования, наблюдаемые у наземных позвоночных, не могут поддерживать свою структурную целостность при постоянном высоком давлении. [21]

"> Воспроизвести медиа
Описание работы и использования автономного спускаемого аппарата (RV Kaharoa) в глубоководных исследованиях; Видимая рыба - это абиссальный гренадер ( Coryphaenoides armatus ).

Глубокое море - одна из малоизученных областей на Земле. Давление даже в мезопелагиали становится слишком большим для традиционных методов разведки, требуя альтернативных подходов для глубоководных исследований. Станции с наживкой, небольшие пилотируемые подводные аппараты и ROV ( дистанционно управляемые аппараты ) - это три метода, используемых для исследования глубин океана. Из-за сложности и стоимости исследования этой зоны текущие знания ограничены. Давление увеличивается примерно на одну атмосферу на каждые 10 метров, что означает, что в некоторых глубоководных районах давление может достигать более 1000 атмосфер. Это не только делает очень трудным достижение больших глубин без механических средств, но также создает значительные трудности при попытках изучения любых организмов, которые могут жить в этих областях, поскольку их клеточная химия будет адаптирована к таким огромным нагрузкам.

  • Глубоководные рыбы  - фауна глубоководных районов.
  • Глубокая океанская вода  - холодная соленая вода глубоко под поверхностью океанов Земли.
  • Подводный оползень  - оползни, переносящие отложения через континентальный шельф в глубокий океан.
  • Голубая планета  - британский сериал документальных фильмов о природе
  • Нефелоидный слой
  •  Портал океанов

  1. ^ Приложение ВМФ к словарю Министерства обороны США по военным и связанным с ними терминам (PDF) . Департамент Военно-Морского Флота . Август 2006. НТЗ 1-02.[ постоянная мертвая ссылка ]
  2. ^ Хорстман, Марк (9 июля 2003 г.). «Плывет надежда для заблудшего исследователя морских глубин» . www.abc.net.au . Проверено 7 мая 2021 .
  3. ↑ Тим Флэннери, « Где чудеса ждут нас» , New York Review of Books , декабрь 2007 г.
  4. ^ Магнитные поля и вода на Европе . Институты SETI, Центр изучения жизни во Вселенной. Февраль 2004 г. MagEuropa.
  5. ^ a b Клаус Дитлефсен. " About the Marianas " (на датском языке) Ingeniøren / Геологическая служба Дании и Гренландии , 2 ноября 2013 г. Проверено: 2 ноября 2013 г.
  6. ^ MarineBio (17.06.2018). «Глубокое море» . Общество охраны природы МаринБио . Проверено 7 августа 2020 .
  7. ^ Nybakken, Джеймс В. Морская биология: экологический подход. Пятое издание. Бенджамин Каммингс, 2001. стр. 136 - 141.
  8. ^ "Эксклюзивные новости астробиологии, которые нельзя пропустить - Astrobio.net" . Журнал астробиологии .
  9. ^ «Морской снег и фекальные гранулы» . Журнал Oceanus .
  10. ^ RN Гибсон, Гарольд (КОН) Барнс, RJA Аткинсон, Океанография и морская биология, Ежегодный обзор . 2007. Том 41. Опубликовано CRC Press, 2004. ISBN  0-415-25463-9 , ISBN  978-0-415-25463-2
  11. ^ «Открой - Музей естествознания» . www.nhm.ac.uk .
  12. ^ Дановаро, Роберто; Антонио Дель'Анно; Чинция Коринальдези; Мирко Маганьини; Рэйчел Ноубл; Кристиан Тамбурини; Маркус Вайнбауэр (28 августа 2008 г.). «Серьезное вирусное воздействие на функционирование донных глубоководных экосистем». Природа . 454 (7208): 1084–1087. Bibcode : 2008Natur.454.1084D . DOI : 10,1038 / природа07268 . PMID  18756250 . S2CID  4331430 .
  13. ^ «Лондонская конвенция» . Международная морская организация . Проверено 24 марта 2020 года .
  14. ^ Снелгроув, Пол; Грассл, Фред (1995-01-01). «А как насчет будущего разнообразия морских глубин?» . Океан . 38 (2) . Проверено 24 марта 2020 года .
  15. ^ Циммерман, АН (01.01.2020). «стабильность и снижение биоразнообразия глубоководных кораллов, Мексиканский залив и западная Атлантика США». Web of Science . 39 (2): 345–359. DOI : 10.1007 / s00338-020-01896-9 . S2CID  210975434 .
  16. ^ Руттиманн, Жаклин (31 августа 2006 г.). «Океанография: больные моря» . Природа . 442 (7106): 978–80. Bibcode : 2006Natur.442..978R . DOI : 10.1038 / 442978a . PMID  16943816 . S2CID  4332965 .
  17. ^ Кослоу, Тони (2011-11-20). «Тихая глубина: открытие, экология и сохранение морских глубин». Тихоокеанский эколог . 20 .
  18. ^ Дразен, Джеффри; Лейтнер, Астрид; Морнингстар, Мудрец; Маркон, Янн; Грайнерт, Йенс; Персер, тетя (2019-01-01). «Наблюдения за глубоководными рыбами и подвижными падальщиками из глубоководного экспериментального района добычи DISCOL» . Биогеонауки . 16 (16): 3133–3146. Bibcode : 2019BGeo ... 16.3133D . DOI : 10.5194 / BG-16-3133-2019 . ProQuest  2276806480 .
  19. ^ HW Jannasch. 1985. Хемосинтетическая поддержка жизни и микробного разнообразия в глубоководных гидротермальных жерлах. Труды Лондонского королевского общества . Серия B, Биологические науки, Vol. 225, No. 1240 (23 сентября 1985 г.), стр. 277-297
  20. ^ а б "Глава двенадцатая Адаптации к Deep Sea" , биохимической адаптации ., Princeton University Press, стр 450-495, 1984-12-31, DOI : 10.1515 / 9781400855414.450 , ISBN 978-1-4008-5541-4, получено 02.11.2020
  21. ^ а б в г Ван, Кун; Шен, Яньцзюнь; Ян, Юнчжи; Ган, Сяони; Лю, Гуйчунь; Ху, Куанг; Ли, Юнсинь; Гао, Чжаомин; Чжу, Ли; Ян, Гоюн; Он, Лишэн (май 2019 г.). «Морфология и геном улитки из Марианской впадины дают представление о глубоководной адаптации» . Природа, экология и эволюция . 3 (5): 823–833. DOI : 10.1038 / s41559-019-0864-8 . ISSN  2397-334X . PMID  30988486 .
  22. ^ а б в Вакаи, Нобухико; Такемура, Казухиро; Морита, Таками; Китао, Акио (20 января 2014 г.). «Механизм устойчивости к давлению α-актина глубоководных рыб, исследованный с помощью моделирования молекулярной динамики» . PLOS ONE . 9 (1): e85852. Bibcode : 2014PLoSO ... 985852W . DOI : 10.1371 / journal.pone.0085852 . ISSN  1932-6203 . PMC  3896411 . PMID  24465747 .
  23. ^ Хата, Хироаки; Нишияма, Масаёши; Китао, Акио (01.02.2020). «Молекулярно-динамическое моделирование белков под высоким давлением: структура, функции и термодинамика» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Общие предметы . Новые методы измерения для визуализации «живых» белковых молекул. +1864 (2): 129395. DOI : 10.1016 / j.bbagen.2019.07.004 . ISSN  0304-4165 . PMID  31302180 .
  24. ^ Янси, Пол Х .; Спирс-Рош, Бен; Атчинсон, Шейла; Рейст, Джеймс Д .; Маевский, Эндрю Р .; Треберг, Джейсон Р. (27 ноября 2017 г.). «Регулировка осмолита как адаптация давления у глубоководных хондрихтийских рыб: внутривидовой тест на арктических скатах (Amblyraja hyperborea) по градиенту глубины» . Физиологическая и биохимическая зоология . 91 (2): 788–796. DOI : 10.1086 / 696157 . ISSN  1522-2152 . PMID  29315031 . S2CID  26847773 .

  • Deep Sea Foraminifera - Глубоководные фораминиферы с глубины 4400 метров, Антарктида - галерея изображений и описание сотен экземпляров
  • Исследование глубокого океана на портале Смитсоновского океана
  • Факты о глубоководных существах и изображения из самых глубоких частей океана
  • Насколько глубока океан Факты и инфографика о глубине океана