核心概念地球及其资源收藏的文章发布日期:2020年9月17日

北极食物网的底部至关重要

作者

亚历山大·海沃德

乔丹·杰克·格里戈尔

年轻的评论家

fdr - hb_秘鲁iGEM小组

摘要

随着地球气候变暖，变化最快的地区是北冰洋及其周围海域。气候变暖导致了许多变化，包括海冰的融化和被冰覆盖的水量的减少。这些变化影响着食物链各个层面的生物。在这篇文章中，我们将解释温度的变化是如何影响生活在北极的动物所能获得的食物质量的。我们关注食物网底部的变化，包括生活在海冰内部和下面的小植物，以及在北极海域漂流的小动物。北冰洋中最小生物的数量和质量的变化会影响到较大的生物，如北极熊和鲸鱼。如果我们想保护以北极为家的生物，就必须考虑食物网底部的变化。

气候变化如何影响北极

自200多年前工业革命开始以来，我们星球的气候发生了巨大变化。气温飙升的速度比过去六千五百万年中的任何时候都要快!地球的最北端和最南端是极地，即北极和南极。这些地区是地球上最冷的地区，平均气温远低于0°C。在冬天，海洋的顶层结冰，形成所谓的海冰。海冰可以是薄如纸的冰，融化得很快，也可以是厚得令人难以置信的，高达3米，可以保存多年。海冰对气候有冷却作用，就像冰箱一样，让地球上的其他地方保持在适宜居住的温度。

随着地球温度的升高，环境以独特而令人担忧的方式做出了反应。在极地地区，大面积的海冰正在融化。曾经白雪皑皑的极地地区正在转变为大片蔚蓝开阔的海洋。极地地区的变暖产生了许多需要回答的问题。所以，让我们来看看气温上升会如何影响北极的海洋生态系统。

为什么浮游植物如此重要?

在海洋生态系统的底部，我们发现了非常小但非常重要的植物状生物，它们漂浮在所有海洋中。这些生物被称为浮游植物．由于浮游植物的微小尺寸，它们的测量尺度是微米(μm)。一微米比一厘米小一万倍!

浮游植物通常生活在我们所说的透光层简单地说，就是有足够的光让他们生存的深度光合作用．通过光合作用，它们吸收二氧化碳(CO₂)并产生氧气，就像陆地上的植物一样。全世界海洋中所有的浮游植物加在一起产生了地球上一半的氧气。考虑到浮游植物只占世界植物的不到1%，这是一个巨大的氧气量生物质［1] !相比之下，像树木这样的大型植物占全球植物生物量的70%左右，但产生的氧气与微小的浮游植物相同¹．为了证明浮游植物有多顽强，值得注意的是它们已经存在了很长一段时间。浮游植物的第一个迹象是大约35亿年前保存在澳大利亚西部的岩石中!

硅藻是海洋中最大的浮游植物(图1)．它们可以是圆形或细长的植物，占地球光合作用的近20%。虽然硅藻主要生活在开阔的海洋中，但它们也在奇异的地方茁壮成长。在两极的海冰中发现了大量的硅藻，它们生活在含盐的液体冰通道中，那里有足够的营养和光线供它们进行光合作用。当硅藻在冰中被发现时，它们不再被归类为浮游植物。由于它们固定在一个地方，不漂移，我们称它们为冰栖藻类或简称冰藻类。当海洋的顶层开始结冰时，它们经常被困在冰里。为了找到冰藻，从冰中钻出直径约10厘米的冰芯。图2显示了一个冰核的底部，里面有丰富的藻类。

图1 -圆形硅藻(左)2和浮游植物群落(右)3比例尺是大小的近似值。 — 图1 -圆形硅藻(左)²一个浮游植物群落(右)^3.比例尺是大小的近似值。

图2 -冰芯显示海冰藻类(冰内的棕色层)，包括硅藻，栖息在冰底部10厘米内4。 — 图2 -冰芯显示海冰藻类(冰内的棕色层)，包括硅藻，栖息在冰底部10厘米内⁴．

什么吃浮游植物?

浮游动物是北极的“中间人”，在生物被大型掠食者(图3)．螃蟹、鱼和鱿鱼在生命的某个阶段都是海洋漂流者，因此被称为浮游动物。硅藻是许多浮游动物的主要食物来源，因为它们含有许多营养物质，为浮游动物提供能量和原料，以进行生长和繁殖等活动。

图3 -北极的海洋食物网[2]。 — 图3 -北极的海洋食物网[2］．

浮游植物和冰藻被浮游动物吃掉，反过来，浮游动物又被极地鳕鱼、海鸟和弓头鲸吃掉。这表明浮游植物和浮游动物对北极生态系统的其他部分来说都是非常重要的食物来源。

夏季海冰融化时，储存在冰中的营养物质被释放回海洋。光线也变得更容易获得，因为将光线反射回大气的海冰减少了。这些春季的变化有利于浮游植物、浮游动物以及所有以这些食物网底部居民为食的生物。由于浮游动物以硅藻为食，浮游动物本身也成为大型动物的营养物质，如鱼、海鸟和鲸鱼[2］．如果没有浮游动物，生态系统的其他生物，包括人类，将面临巨大的食物损失。因纽特社区的人类依靠鱼类(浮游动物捕食者)和海豹(鱼类捕食者)在北极生活了一万多年!

浮游动物肮脏的一面尤为重要——它们的粪便。当浮游动物排泄排泄物时，它就成为许多其他生物的食物来源。如果它不被吃掉，它最终会在海底储存数百万年的碳，减缓气候变化的过程，让我们的星球保持凉爽。

在全球海洋生态系统中发现的一种浮游动物尤其值得注意。的桡足类得名于它们的“豆荚”(或脚)，形状像划船用的桨。它们桨状的脚(图4帮助这些微小的动物拥有超级英雄的能力!桡足类动物可能会因为在动物王国中拥有一些最突出的特征而获奖。桡足类动物是最强壮的动物，跳得最快的动物，可能是地球上数量最多的动物!许多桡足类动物最喜欢的食物是浮游植物，它们必须生活在海洋表面附近，那里有足够的阳光进行光合作用。以浮游植物为食是好的，但并不总是安全的;鱼、鸟和其他捕食者也在光线充足的水面上捕食，它们在等待桡足类动物犯错。桡足类动物每天只在没有光线的夜晚进入浅水，以应对捕食者的威胁。进食后，桡足类动物会在浅水捕食者发现它们之前迅速迁移到更深、颜色更深的水域。桡足类动物和其他浮游动物的这种每日迁徙是地球上最大的生物量迁徙，这种巨大的每日迁徙跨越数十米、数百米或数千米的深度。

图4 -二月(左)和六月(右)的桡足类样本。 — 图4 -*Calanus*桡足类在二月(左)和六月(右)取样。

虽然两种桡足类动物的长度相对相似(4.4毫米和4.8毫米)，但2月桡足类动物的整体尺寸比6月桡足类动物要小，2月桡足类动物的油囊中脂肪含量也较低(2019年)。

北冰洋中数量最多的桡足类动物属于一个叫Calanus．在春季和夏季的密集进食后，卡拉努斯桡足类充满了营养丰富的脂肪，它们的营养如此丰富，以至于一些海鸟、鱼类和鲸鱼每年都要长途跋涉，穿越海洋来吃它们，尤其是在春季和夏季。当大部分浮游植物和浮游动物被吃掉后，许多鸟类、鱼类和哺乳动物会离开北极，并在第二年(但不是全部)返回。

黑暗中

黑暗的冬天对食草动物来说可能不是最好的时间，因为它们只能靠光合作用来生存!一些桡足类动物在冬天变成杂食动物，而另一些则完全停止进食，在远低于海冰的安全水域进入冬眠。在浮游植物丰度高峰期间的高强度摄食对于建立必要的脂肪储备以在冬季冬眠至关重要。桡足类动物在2月(经过冬眠和饥饿的冬天)与6月(进食后)看起来非常不同。在北极，比浮游植物更早醒来布鲁姆对桡足类动物有益。这使它们能够在春天以悬挂在海冰底部或从底部脱落的硅藻为食。经过几个月的冬眠，一个卡拉努斯个体通常看起来很瘦，脂肪储备有限。只有在春季和夏季喂食后，才会出现这种情况Calanus桡足类动物的脂肪储备可以恢复往日的辉煌(图4) [3.] !在春天回到富含藻类的表层水域后，许多桡足类动物成功地在春天的冰藻繁盛期间繁殖，让它们的后代在几个月后发生在冰下的浮游植物繁盛期间孵化[3.］．这可能是它们后代生存的必要条件。

未来

研究人员认为，如果Calanus桡足类动物不能吃冰藻类，桡足类动物的数量可能会急剧减少。随着气候变化导致海冰减少，桡足类动物的这种重要食物来源也消失了。在很长一段时间内，海冰的流失和其他因素会减少浮游植物获取营养的能力，这些浮游植物试图在冰下生长。4］．浮游植物食物的减少可能意味着较小的浮游植物会比更大、更有营养的硅藻数量更多。因此，在更温暖、无冰的北极，桡足类动物可能被迫吃营养更少、更小的浮游植物，而不是像大型硅藻这样的大量高质量食物。科学家们已经在桡足类和浮游植物群落中发现了体型较小的生物[5］．

预测北极的变化和我们能做些什么来帮助

随着北极地区的变化，我们可能会看到硅藻和其他浮游植物等食物储备减少，同时变得更小，营养价值也更低。食物链底层的变化会对大型动物产生巨大的影响。食物链底层物种的灭绝对于专门捕食它们的捕食者来说是个可怕的消息。浮游生物数量和类型的变化会以许多直接和间接的方式影响人类和动物，从空气质量的变化，到我们如何与环境及其资源相互作用。随着北极浮游植物的减少，CO₂大气中的浓度会增加，导致地球继续变暖。

作为一个社会，我们需要更多地意识到这样一个事实:我们在家里、工作场所或学校的活动都会影响到远离我们的地方的生态系统。小的改变，如步行或骑自行车代替开车，可以极大地帮助限制CO₂排放。研究项目，比如变化中的北冰洋¹，总部设在英国，为政府和公众提供北极生物变化的最新信息。来自“北冰洋变化”的两个小组合作撰写了这篇手稿，如果您想了解更多，我们有额外的资源可用⁵^，⁶．

术语表

浮游植物：↑漂流植物进行光合作用的漂流植物

光合作用：↑植物利用太阳能将二氧化碳和水转化为氧气和糖的过程。

生物质：↑一个有机体的总重量，或某一特定地区的一群有机体的总重量

硅藻：↑一种大型的浮游植物，是浮游动物的重要食物来源。

浮游动物：↑漂流动物不能逆流而游的漂流动物

桡足类：↑一种足呈桨形的浮游动物。一种数量非常丰富的桡足类动物叫做Calanus．

Calanus：↑北冰洋中一些最丰富、营养最丰富的桡足类动物就属于这个群体。

布鲁姆：↑藻类或浮游植物的快速生长

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

参考文献

[1]↑Bar-On, Y. M, Phillips, R.和Milo, R. 2018。地球上的生物量分布。Proc。国家的。学会科学。美国115:6506-11。doi: 10.1073 / pnas.1711842115

[２]↑达尼斯，G.，罗伯特，D.，波默洛，C.，林克，H.，阿坎博，P.，尼尔森，R. J.等。2012。加拿大北极海洋生态系统现状与趋势:2。异养食物网、上层-底栖耦合与生物多样性。爬。改变115:179 - 205。doi: 10.1007 / s10584 - 012 - 0483 - 8

[3]↑Leu, E.， Søreide, J. E.， Hessen, D. O.， Falk-Petersen, S.和Bergebe, J. 2011。海冰覆盖变化对欧洲北极大陆架海初级和次级生产者的影响:时间、数量和质量。掠夺。Oceanogr．90:18-32。doi: 10.1016 / j.pocean.2011.02.004

[4]↑李，W. K. W.，麦克劳克林，F. A.，洛夫乔伊，C.和卡马克，E. C. 2009。最小的藻类在北冰洋变新鲜时茁壮成长。科学326:539。doi: 10.1126 / science.1179798

［5］↑福克-彼得森，S.，蒂莫费耶夫，S. F.，巴甫洛夫，V.和萨金特，J. R. 2007。“气候变化以及对北极食物链的可能影响。卡拉努斯的角色，在北极-高山生态系统与环境变化中的人类，编辑J. B. Ørbæk, T. Tombre, R. Kallenborn, E. N. Hegseth, S. Falk-Petersen和A. H. Hoel(柏林:施普林格)。p . 147 - 66。