Глубокое море - Deep sea

О фильме см. Глубокое море 3D.
Глубоководные зоны

В глубокое море или же глубокий слой[1] это самый нижний слой в океан, существующие ниже термоклин и выше морское дно, на глубине 1000 сажень (1800 м) и более. В эту часть океана проникает мало или совсем нет света, и большая часть организмы живущие там полагаются на пропитание при падении органическая материя произведено в фотическая зона. По этой причине ученые когда-то предполагали, что жизнь будет мало в глубоком океане, но практически каждый зонд показал, что, наоборот, в глубоком океане жизнь изобилует.

С момента Плиний до конца девятнадцатого века ... люди считали, что в глубинах нет жизни. Прошло историческое экспедиция на корабле Претендент между 1872 и 1876 годами, чтобы доказать неправоту Плиния; его глубоководные драги и тралы поднимали живые существа со всех доступных глубин. Однако даже в двадцатом веке ученые продолжали воображать, что жизнь на большой глубине несущественна или как-то несущественна. Вечная тьма, почти немыслимое давление и сильный холод, существующие на глубине ниже тысячи метров, были, как они думали, настолько невыносимыми, что почти погасить жизнь. На самом деле все наоборот ... (Ниже 200 метров) находится самый большой среда обитания на земле.[2]

В 1960 г. Батискаф Триест спустился на дно Марианская впадина возле Гуам, на высоте 10911 м (35,797 футов; 6,780 миль), самое глубокое из известных мест в любом океане. Если гора Эверест (8 848 метров) были затоплены там, его вершина будет более чем на милю ниже поверхности. В Триест был отправлен на пенсию, и некоторое время японское дистанционно управляемое транспортное средство (ROV) Кайко было единственным судном, способным достичь такой глубины. Он был потерян в море в 2003 году. В мае-июне 2009 года гибрид-ROV (HROV) Нерей вернулся в Challenger Deep для серии из трех погружений на глубину более 10 900 метров.

Было высказано предположение, что о Луне известно больше, чем о самых глубоких частях океана.[2] Предполагалось, что жизнь на дне океана полагается исключительно на падающее органическое вещество, и, следовательно, в конечном итоге на солнце в качестве источника энергии, пока не были обнаружены процветающие колонии креветок и других организмов вокруг. гидротермальные источники в конце 1970-х гг. 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 сероводород, который очень токсичен почти для всей земной жизни. Революционное открытие того, что жизнь может существовать в этих экстремальных условиях, изменило мнение о шансах существования жизни где-нибудь во Вселенной. Ученые предполагают, что Европа, один из Юпитер луны, возможно, смогут поддерживать жизнь под его ледяной поверхностью, если есть доказательства[3] глобального океана жидкой воды.

Характеристики окружающей среды

Свет

Естественный свет не проникает в глубокий океан, за исключением верхних частей океана. мезопелагический. С фотосинтез это невозможно, растения и фитопланктон не могут жить в этой зоне, и поскольку они являются основными производители Практически во всех экосистемах Земли жизнь в этой части океана должна зависеть от источников энергии из других источников. За исключением областей, близких к гидротермальным источникам, эта энергия поступает от органических материалов, дрейфующих с фотическая зона. Тонущий органический материал состоит из частиц водорослей, детрита и других форм биологических отходов, которые в совокупности называются морской снег.

Давление

Потому что давление в океане увеличивается примерно на 1 атмосфера на каждые 10 метров глубины многие морские организмы испытывают экстремальное давление. До последних лет научному сообществу не хватало подробной информации о влиянии давления на большинство глубоководных организмов, потому что обнаруженные образцы прибывали на поверхность мертвыми или умирающими и не наблюдались при давлении, при котором они жили. С появлением ловушек, включающих в себя специальную камеру для поддержания давления, неповрежденные большие многоклеточный животные были извлечены из морских глубин в хорошем состоянии.

Соленость

Соленость удивительно постоянна во всем глубоком море и составляет около 35 частей на тысячу.[4] Есть некоторые незначительные различия в солености, но нет экологически значимых, 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 термоклинов варьируется от нескольких сотен метров до почти тысячи метров. Ниже термоклина водная масса глубокого океана холодная и намного более холодная. однородный. Термоклины наиболее сильны в тропиках, где температура эпипелагическая зона обычно выше 20 ° C. От основания эпипелагии температура падает на несколько сотен метров до 5 или 6 ° C на высоте 1000 метров. Он продолжает снижаться к основанию, но скорость намного меньше. Холодная вода проистекает из опускание тяжелых поверхностных вод в полярные регионы.[4]

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.[5]

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.[6]

Биология

Основная статья: Глубоководное сообщество

Регионы ниже эпипелагический делятся на следующие зоны, начиная с мезопелагический который простирается от 200 до 1000 метров ниже уровня моря, куда проникает так мало света, что основное производство становится невозможным. Ниже этой зоны начинается глубокое море, состоящее из афотический батипелагический, абиссопелагический и гадопелагический. Пища состоит из падающих органических веществ, известных как 'морской снег 'и туши, полученные из вышеуказанной продуктивной зоны, и их мало как с точки зрения пространственного, так и временного распределения.

Вместо того, чтобы полагаться на газ для их плавучести, многие глубоководные разновидность имеют желеобразную мякоть, состоящую в основном из гликозаминогликаны, что обеспечивает им очень низкую плотность.[7] Это также распространено среди глубоководных Кальмар соединить студенистую ткань с флотационной камерой, заполненной целомическая жидкость состоит из продуктов метаболизма хлорид 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 неспециализированные диеты, предпочитающие сидеть и ждать еды, а не тратить энергию на ее поиски. У них удлиненное тело со слабым, водянистым мышцы и скелетный конструкции. У них часто бывают выдвижные шарнирные челюсти с загнутыми зубами. Из-за редкого распределения и отсутствия света найти партнера для размножения сложно, и многие организмы гермафродитный.

Поскольку света очень мало, у рыб часто бывают более крупные, чем обычно, трубчатые глаза, только стержневые клетки. Их направленное вверх поле зрения позволяет им находить силуэт возможной добычи. Хищная рыба однако также есть приспособления, чтобы справиться с хищничество. Эти адаптации в основном связаны с уменьшением силуэтов, формой камуфляж. Два основных метода, с помощью которых это достигается, - это уменьшение площади их тени за счет бокового сжатия тела и противодействие освещению через биолюминесценция. Это достигается за счет получения света от брюшной стенки. фотофоры, которые имеют тенденцию создавать такую ​​интенсивность света, чтобы придать нижней части рыбы вид, похожий на фоновый свет. Для более чувствительных зрение при слабом освещении, у некоторых рыб есть световозвращатель за сетчатка. Рыба-фонарик есть этот плюс фотофоры, какую комбинацию они используют для обнаружения блеск у других рыб (см. Tapetum lucidum ).[нужна цитата ]

Организмы в глубоком море почти полностью зависят от тонущего живого и мертвого органического вещества, которое падает примерно на 100 метров в день.[8] Кроме того, только от 1 до 3% продукции с поверхности достигает морского дна, в основном в виде морского снега. Падение более крупных продуктов, например китовые туши, также происходят, и исследования показали, что это может происходить чаще, чем считается в настоящее время. Есть много мусорщики которые питаются в основном или полностью за счет крупных кормовых падений, а расстояние между тушами китов оценивается всего в 8 километров.[9] Кроме того, существует ряд фильтров-питателей, которые питаются органическими частицами с помощью щупалец, например Freyella elegans.[10]

Морские бактериофаги играют важную роль в круговороте питательных веществ в глубоководных отложениях. Их очень много (от 5х1012 и 1x1013 фагов на квадратный метр) в отложениях по всему миру.[11]

Несмотря на то, что глубоководные организмы настолько изолированы, они все еще страдают от взаимодействия человека с океанами. В Лондонская конвенция[12] направлена ​​на защиту морской среды от захоронения таких отходов, как осадок сточных вод[13] и радиоактивные отходы. 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 уровень биоразнообразия оценивается как самый низкий за 58 лет.[14] Подкисление 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 потребуются годы.[15] Глубоководное траление также вредит биоразнообразию, разрушая глубоководные среды обитания, на формирование которых могут уйти годы.[16] Еще одна деятельность человека, изменившая биологию морских глубин, - это добыча полезных ископаемых. Одно исследование показало, что на одном участке добычи популяции рыб уменьшились через шесть месяцев и через три года, а через двадцать шесть лет популяции вернулись к тем же уровням, что и до нарушения.[17]

Хемосинтез

Есть ряд видов, которые в основном не полагаются на растворенные органические вещества в своей пище, и они встречаются в гидротермальные источники. Одним из примеров является симбиотическая связь между трубчатым червем. Рифтия и хемосинтетические бактерии. Это это хемосинтез который поддерживает сложные сообщества, которые можно найти вокруг гидротермальных источников. Эти сложные сообщества - одно из немногих экосистемы на планете, которые не полагаются на Солнечный свет для их снабжения энергией.[18]

Адаптация к гидростатическому давлению

Глубоководная рыба имеют разные адаптации в своих белках, анатомических структурах и метаболических системах, чтобы выжить в Глубокое море, где жители должны выдерживать большое гидростатическое давление. В то время как другие факторы, такие как доступность пищи и избегание хищников, важны, глубоководные организмы должны обладать способностью поддерживать хорошо отрегулированную метаболическую систему перед лицом высокого давления. [19] 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 водной организации во время реакций гидратации и дегидратации в результате связывания. Это связано с тем, что большинство взаимодействий фермент-лиганд формируется посредством заряженных или полярных незаряженных взаимодействий. Поскольку гидростатическое давление влияет как на фолдинг, так и на сборку белка, а также на ферментативную активность, глубоководные виды должны подвергаться физиологической и структурной адаптации, чтобы сохранить функциональность белка против давления.[19][20]

Актин - это белок, который необходим для различных клеточных функций. Альфа-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 мышечного волокна.[21] Эти конкретные замены Q137K и V54A из C.armatus или I67P из C.yaquinae прогнозируется, что они важны для устойчивости к давлению.[21] 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.[22] Было обнаружено, что у глубоководных рыб в актинах больше солевых мостиков, чем у рыб, обитающих в верхних зонах моря.[21]

Что касается замены белка, осмолиты были обнаружены в большом количестве у глубоководной рыбы при высоком гидростатическом давлении. Для некоторых хондрихтианы, было обнаружено, что N-оксид триметиламина (ТМАО) увеличивается с глубиной, заменяя другие осмолиты и мочевину.[23] Благодаря способности ТМАО защищать белки от протеинов, 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. Улитка марианская хадаль разработанная модификация в Остеокальцин (bglap) ген, в котором было обнаружено преждевременное прекращение гена.[20] 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.[20] Из-за высокого гидростатического давления в глубоком море закрытые черепа, которые развиваются организмы, живущие на поверхности, не могут выдержать усиливающего воздействия. Точно так же обычные костные образования, наблюдаемые у наземных позвоночных, не могут поддерживать свою структурную целостность при постоянном высоком давлении.[20]

Исследование

Основная статья: Глубоководные исследования
Описание работы и использования автономного спускаемого аппарата (RV Kaharoa) в глубоководных исследованиях; Видимая рыба - это глубинный гренадер (Корифеноиды арматус).

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 ТПА (дистанционно управляемые автомобили ) - это три метода, которые используются для исследования глубин океана. Из-за сложности и стоимости исследования этой зоны текущие знания ограничены. Давление увеличивается примерно на один атмосфера на каждые 10 метров, что означает, что в некоторых глубоководных районах давление может превышать 1000 атмосфер. Это не только делает очень трудным достижение больших глубин без механических средств, но также создает значительные трудности при попытке изучить любые организмы, которые могут жить в этих областях, поскольку их клеточная химия будет адаптирована к таким огромным нагрузкам.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Приложение ВМФ к словарю военных и связанных терминов Министерства обороны США (PDF). Департамент ВМФ. Август 2006. НТЗ 1-02.[постоянная мертвая ссылка ]
  2. ^ а б Тим Флэннери, Где нас ждут чудеса, Нью-Йоркское обозрение книг, Декабрь 2007 г.
  3. ^ Магнитные поля и вода на Европе. Центр изучения жизни во Вселенной при институтах SETI. Февраль 2004 г. MagEuropa.
  4. ^ а б Клаус Дитлефсен. "О марианских островах "(на датском) Ingeniøren / Геологическая служба Дании и Гренландии, 2 ноября 2013 г. Дата обращения: 2 ноября 2013 г.
  5. ^ MarineBio (17.06.2018). "Глубокое море". Общество охраны природы MarineBio. Получено 2020-08-07.
  6. ^ Нибаккен, Джеймс В. Морская биология: экологический подход. Пятое издание. Бенджамин Каммингс, 2001. стр. 136 - 141.
  7. ^ "Эксклюзивные новости астробиологии, которые нельзя пропустить - Astrobio.net". Журнал Astrobiology.
  8. ^ «Морской снег и фекальные гранулы». Журнал Oceanus.
  9. ^ Р. Н. Гибсон, Гарольд (КОН) Барнс, Р. Дж. А. Аткинсон, Ежегодный обзор океанографии и морской биологии. 2007. Том 41. Опубликовано CRC Press, 2004 г.ISBN  0-415-25463-9, ISBN  978-0-415-25463-2
  10. ^ «Откройте для себя - Музей естественной истории». www.nhm.ac.uk.
  11. ^ 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:2008 Натур.454.1084D. Дои:10.1038 / природа07268. PMID  18756250.
  12. ^ «Лондонская конвенция». Международная морская организация. Получено 24 марта 2020.
  13. ^ Снелгроув, Пол; Грассл, Фред (1995-01-01). "Что насчет будущего разнообразия морских глубин?". Oceanus. 38 (2). Получено 24 марта 2020.
  14. ^ Циммерман, АН (01.01.2020). «стабильность и снижение биоразнообразия глубоководных кораллов, Мексиканский залив и западная Атлантика США». Web of Science. 39 (2): 345–359. Дои:10.1007 / s00338-020-01896-9.
  15. ^ Руттиманн, Жаклин (31 августа 2006 г.). «Океанография: больные моря». Природа. 442 (7106): 978–80. Bibcode:2006Натура.442..978R. Дои:10.1038 / 442978a. PMID  16943816.
  16. ^ Кослоу, Тони (2011-11-20). «Тихая глубина: открытие, экология и сохранение морских глубин». Тихоокеанский эколог. 20.
  17. ^ Дражен, Джеффри; Лейтнер, Астрид; Морнингстар, Мудрец; Маркон, Янн; Грайнерт, Йенс; Персер, тетя (2019-01-01). «Наблюдения за глубоководными рыбами и мобильными падальщиками в глубоководном экспериментальном районе добычи DISCOL». Биогеонауки. 16 (16): 3133–3146. Bibcode:2019BGeo ... 16.3133D. Дои:10.5194 / bg-16-3133-2019. ProQuest  2276806480.
  18. ^ 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.), pp. 277-297
  19. ^ а б «Глава двенадцатая. Адаптации к глубокому морю», Биохимическая адаптация, Princeton University Press, pp. 450–495, 1984-12-31, ISBN  978-1-4008-5541-4, получено 2020-11-02
  20. ^ а б c d 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 рыбы-улитки из Марианской впадины дает представление о глубоководной адаптации». Природа Экология и эволюция. 3 (5): 823–833. Дои:10.1038 / s41559-019-0864-8. ISSN  2397-334X.
  21. ^ а б c Вакаи, Нобухико; Такемура, Казухиро; Морита, Таками; Китао, Акио (2014-01-20). «Механизм устойчивости глубоководных рыб к давлению α-актина, исследованный с помощью моделирования молекулярной динамики». PLOS ONE. 9 (1): e85852. Дои:10.1371 / journal.pone.0085852. ISSN  1932-6203. ЧВК  3896411. PMID  24465747.
  22. ^ 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. Дои:10.1016 / j.bbagen.2019.07.004. ISSN  0304-4165.
  23. ^ Янси, Пол Х .; Сперс-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. Дои:10.1086/696157. ISSN  1522-2152.

внешняя ссылка