Первичная продуктивность и биомасса зоопланктона в океане: связующий механизм и его статистическая модель как инструмент оценки запаса планктона.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-00154

НазваниеПервичная продуктивность и биомасса зоопланктона в океане: связующий механизм и его статистическая модель как инструмент оценки запаса планктона.

Руководитель Верещака Александр Леонидович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-519 - Биоокеанология

Ключевые слова Экология, биоразнообразие и динамика планктона Мирового океана, структура сообществ и запасы планктона Мирового океана

Код ГРНТИ34.35.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оценка биоресурсов Мирового океана и моделирование климата Земли – важнейшие и, казалось бы, мало связанные задачи, стоящие перед человечеством в целом и перед российской наукой – в частности. Объединяет эти задачи то, что их решение невозможно без достоверной оценки биомассы зоопланктона, живущего в толще воды Мирового океана, а это – 95% объёма биосферы. Зоопланктон одновременно является (1) объектом промысла сам по себе (криль, креветки), (2) кормовой базой промысловых рыб и кальмаров, (3) резервуаром живого органического вещества, играющего важную роль в цикле углерода. В ходе выполнения предыдущего проекта РНФ (18-17-00177) мы опирались на представления о том, что продуктивность поверхностного слоя океана определяет величину направленного вниз потока нового органического вещества и создаёт энергетическую основу для существования глубоководных сообществ. В качестве показателя продуктивности мы использовали концентрацию поверхностного хлорофилла, измеренную спутниковыми сканерами. Биомассу зоопланктона определяли в послойных сетных ловах от поверхности до глубины 3000 м. Нам удалось найти значимую линейную связь между концентрацией поверхностного хлорофилла (осреднённого по разным площадным квадратам и за разные промежутки времени) и биомассой основных групп глубоководного зоопланктона в Атлантическом океане, на основании чего были сделаны предварительные оценки общей биомассы зоопланктона. При этом выяснилось, что построенные регрессии значительно различаются в низких и высоких широтах и дают для разных групп планктона оценки разной точности. Более того, осреднение поверхностного хлорофилла по разным площадям и по разным временнЫм отрезкам приводит в существенному изменению значимости регрессий. Наконец, оказалось, что биомасса зоопланктона на глубинах 200-1500 м часто превышает его биомассу в поверхностном 200-м слое, что никак нельзя объяснить той долей органического вещества (10% по общепринятым оценкам) которая опускается на глубины более 200 м. После завершения предыдущего проекта мы выяснили дополнительно ещё два важных факта. Во-первых, связь между концентрацией поверхностного хлорофилла и биомассой зоопланктона не обязательно носит линейный характер и в ряде случаев лучше всего описывается экспонентой. Во-вторых, наиболее значимая корреляция наблюдается между биомассой зоопланктона и концентрацией хлорофилла, измеренной в период цветения фитопланктона, причём пик биомассы зоопланктона сдвинут на несколько месяцев относительно пика хлорофилла и этот сдвиг увеличивается с возрастанием глубины. Обнаруженные эффекты демонстрируют наше слабое представление о связующих механизмах между продуктивностью поверхностных вод и биомассой зоопланктона на разных глубинах океана, поэтому в качестве основной цели нового проекта мы приняли изучение этих механизмов. Их выявление позволит существенно расширить представления о путях и скорости трансформации органического вещества и энергии в пищевых сетях морских экосистем, а их модельное представление позволит достоверно и с известной нам точностью оценить биомассу зоопланктона в отдалённых районах океана, пользуясь только дистанционными методами измерения концентрации хлорофилла. В итоге выработанный алгоритм сможет служить инструментом для оценки запасов разных групп планктона на больших акваториях и во всём Мировом океане. Проанализировав ранее обнаруженные закономерности, мы выдвигаем следующую рабочую гипотезу: биомасса океанического зоопланктона связана в первую очередь с пиковыми значениями, а не со среднегодовой продукцией акватории; временнОй лаг между пиком хлорофилла и биомассой зоопланктона возрастает с увеличением глубины и различается для разных трофических групп. Для проверки гипотезы и более точных оценок запасов планктона будут решены следующие задачи, каждая из которых обеспечивает научную новизну проекта: 1. Пополнение базы данных океанического, в т.ч. глубоководного планктона. Учитывая недостаточный охват океанических акваторий экспедициями, каждая проба, особенно глубоководная, - на вес золота. Поэтому обработка имеющихся необработанных проб и получение новых – самостоятельная задача. 2. Исследование механизмов и времени прохождения продукционного сигнала (новообразованного органического вещества) по трофической сети в зависимости от трофического уровня и размеров организма. Решение этой задачи позволит оценить связь каждой из трофических и размерных групп с поверхностной продуктивностью. Весьма вероятно, что эта связь будет различна для разных групп (Прил. 1). 3. Исследование времени прохождения продукционного сигнала по глубинам, что приведёт к оценке скорости (а в вероятно – и величины) потока органического вещества из эпипелагиали в глубины океана (Прил. 2). 4. Алгоритмизация связи между продуктивностью и биомассой зоопланктона в океане. Тестирование не только линейной, но и иных функций (логарифмической, экспоненты, полинома и т.п.) для создания максимально значимых статистических моделей (Прил. 3, 4). 5. Оценка эффекта суточных миграций планктона как фактора, гипотетически оказывающего сильнейшее влияние на перенос продукционного сигнала и перераспределение органического вещества в глубинах океана. 6. Исследование сезонной динамики концентрации хлорофилла в разных районах океана для определения периодов максимальной продукции. Разработка подходов к оценке роли глубинных максимумов концентрации хлорофилла в продуктивности района и их вклад в обеспечение зоопланктона пищей. 7. Оценка влияния гидрологических особенностей района (в первую очередь течений, T-S характеристик и стратификации вод) на связь продуктивности и биомассы планктона на разных глубинах и на перенос продукционного сигнала. 8. Разработка алгоритмов, наиболее точно описывающих зависимость биомассы основных групп зоопланктона и всего зоопланктона от продуктивности вод и гидрологических факторов среды. Оценка запасов основных трофических групп зоопланктона и всего зоопланктона на разных глубинах и в различных районах океана. Участники проекта обладают необходимыми навыками и заделом для успешной реализации проекта, состав коллектива включает 9 квалифицированных специалистов, опубликовавших за последние 5 лет 59 статей в журналах WoS, в основном первого квартиля (Q1) (Прил. 5). В нашем распоряжении имеется уникальная коллекция планктонных проб, собранных нами в 2008-2018 гг в Атлантике и в 2020 г в Индийском океане (11 экспедиций, 1117 проб) (Прил. 6) и есть все основания предполагать, что в ходе выполнения проекта будет получен новый материал.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Верещака А.Л., Микаэлян А.С., Пионтковский С.А., Лунина А.А. A mesoplankton biomass decline in the Central Atlantic coupled with an increase of surface temperature and an expansion of low-productive zones Global Ecology and Biogeography, номер 32, выпуск 8:1365–1376 (год публикации - 2023)
10.1111/geb.13703

2. Верещака А.Л., Анохина Л.Л., Кулагин Д.Н., Лунина А.А. Precision of mesoplankton sampling: A case study based on three net series in the South Atlantic and in the Black Sea Marine Environmental Research, Volume 183, 105848 (год публикации - 2023)
10.1016/j.marenvres.2022.105848

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе экспедиций на яхтах «Амазон» и «Базилевс» и рейсов на большом научно-исследовательском судне «Академик Иоффе» (31-й и 64-й рейсы) было собрано и определено более 600 таксонов зоопланктона, включая уникальные образцы с глубины до 3000 м. Исследования проводились как днём, так и ночью для того чтобы оценить вертикальные миграции организмов. Эти миграции обеспечивают быстрый вертикальный транспорт углерода, формируя отдельную компоненту биологического углеродного насоса. Оценка величины этого потока углерода важна, в частности, для построения адекватных климатических моделей. В ходе экспедиций было показано, что глубоководные креветки - ключевые компоненты пелагических экосистем, их биомасса достигает 10–100 мг на кубометр. Собранные образцы позволят уточнить видовой состав, проследить эволюцию этих организмов и их распределение в Атлантике. Была проведена комплексная оценка распределения хлорофилла во всей толще вод Мирового океана. Хлорофилл, как основной показатель продуктивности, исследовался с использованием данных спутников (Cs) и сети буев BGC-Argo. Были выделены следующие параметры и проанализированы их годовая динамика и распределение в масштабах Мирового океана: • Cs (поверхностный хлорофилл) отражает продуктивность верхнего слоя воды (примерно 10 м). • Cup (хлорофилл в перемешанном слое) характеризует биомассу верхнего перемешанного слоя. • Clow (хлорофилл ниже зоны перемешивания) сложен в анализе, но играет важную роль в продукционных процессах. Установлено, в частности, что между 40° S и 40° N тридцатиметровый слой в зоне глубинного максимума хлорофилла вносит вклад в общий запас хлорофилла столба воды более 30%, что превышает весь вклад верхнего перемешанного слоя. Был предложен дополнительный новый параметр, который отражает величину сезонных пиков хлорофилла и описана его пространственно-временнАя динамика. Хлорофилл в верхнем слое перемешивания (Cs, Cup) и ниже (Clow) определяется разными факторами. Cs и Сup связаны в основном с нитратами и глубиной слоя перемешивания, а Clow зависит от освещённости и стратификации. Их годовая динамика разнонаправленна, что подтверждает уникальность каждого слоя в продукционных процессах. Комбинация параметров Cs, Cup и Clow даёт лучшие прогнозы биомассы мезопланктона, чем ранее используемый поврехностный спутниковый хлорофилл. С помощью этих параметров, а также климатических данных по толщине верхнего перемешаннго слоя и поверхностной температуре были получены более точные регрессии, описывающие распределение биомассы разных размерных групп планктона на разных глубинах . Была построена карта распределения биомассы зоопланктона в Атлантике между 40° S и 40° N. С учётом 95-% доверительного интервала общая биомасса оценена в пределах 1.41–2.46 Гт, что значительно точнее прошлых расчётов. Полученные результаты подтверждают важность интеграции данных BGC-Argo и спутников для анализа хлорофилла и далее – дистанционной оценки биомассы океанического зоопланктона, в том числе глубоководного. Такой подход улучшает понимание роли зоопланктона в углеродном цикле и позволит точнее моделировать экосистемные процессы.

Публикации

1. Верещака А.Л. Navigating the Zooplankton Realm: Oceans of Diversity Beneath the Sea Surface Diversity , 2024, 16(12), 717 (год публикации - 2024)
10.3390/d16120717

2. Верещака А.Л., Шатравин А.В. CHLOROPHYLL DYNAMICS IN LOW LATITUDES UNVEILS A NEW PARTITION OF THE OCEAN Science of the Total Environment, Science of the Total Environment 966, 178697 (год публикации - 2024)
10.1016/j.scitotenv.2025.178697

3. Лунина А.А., Кулагин Д.Н., Верещака А.Л. Evolutionary traits of planktonic Eucarida Invertebrate Zoology (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
ФОРМИРОВАНИЕ НАУЧНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДЕЛОВ: данные о сезонной динамике хлорофилла (Chl) и биомассы зоопланктона позволят улучшить модели глобального углеродного цикла. Это дает возможность точнее прогнозировать изменения климата, что важно для разработки адаптационных стратегий в аграрной, энергетической и водохозяйственной сферах. ПРОМЫШЛЕННОЕ И КОММЕРЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ: полученные данные о биомассе зоопланктона и его распределении позволят прогнозировать районы промысла биоресурсов, зависящие от пищевых ресурсов. Кроме того, они позволят более точно планировать промысел. СОЦИАЛЬНОЕ И ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ: развитие образовательных программ: создание курсов по морской биологии, экологии и климатологии на основе результатов исследований поспособствует подготовке квалифицированных специалистов для научных, образовательных и промышленных организаций. РАЗРАБОТКА НОВЫХ И УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ: модели прогнозирования продуктивности океанов: усовершенствованные модели, учитывающие хлорофилл во всей толще воды, помогут развивать новые технологии прогнозирования океанической продуктивности, что важно для управления ресурсами и защиты экосистем. Таким образом, проект закладывает основу для технологических, экологических и экономических инициатив, направленных на рациональное использование морских ресурсов и защиту экосистем. Полученные результаты имеют прикладное значение для промышленных предприятий, образовательных учреждений и государственных структур, способствуя укреплению позиций России в области экологически ориентированной экономики и международного научного сотрудничества.