Многочисленные экологические и природные воздействия, такие как потепление и изменения в циркуляции океана и снабжении питательными веществами, влияют на базу арктических морских экосистем, оказывая каскадное воздействие на всю пищевую цепочку начиная снизу вверх. Какие произошли изменения в Северном Ледовитом океане с начала 1950-х годов прошлого века ученые проанализировали по зубам гренландских тюленей. С помощью стабильных изотопов азота (δ15N), которые были использованы для обнаружения и разгадки воздействия этих изменений на эту уникальную экосистему. Эта работа стала результатом проекта программы «Изменение Северного Ледовитого океана» Ливерпульского университета Великобритании.
Азот 15 — это редкий стабильный изотоп азота. Помимо возраста животного, также по различным биомаркерам на зубах можно оценить, как арктические экосистемы реагируют на изменение климата. Также ученые проследили характер миграции тюленей, вследствие антропогенного осаждения азота в Северной Атлантике, где популяции переместились в более продуктивные и богатые ресурсами арктические воды.
Практически с начала 2000-х годов в Баренцевом и Белом морях не осуществляется сбор данных о биологическом состоянии гренландского тюленя беломорской популяции. Отсутствие таких данных (по коэффициентам беременности самок, половому созреванию, смертности щенков и взрослых животных) сильно затрудняет исследования.
Ученые объединили уникальные 60-летние записи по сложным и специфическим биомаркерам на зубах арфовых уплотнений тюленей, объединив это с современным моделированием океана на основе снижения морского пищевого комплекса с 1951 по 2012 год в Баренцевом море.
Такая сильная и устойчивая более чем полувековая тенденция возникла в результате сочетания антропогенного атмосферного осаждения азота в Атлантике, увеличения переноса атлантических вод на север через арктические ворота и местных обратных природных взаимосвязей Арктики.
Прогнозируется, что продолжающееся потепление океана увеличит изменение ресурсов в пищевых сетях и цепочках, расположенных в холодных морях высоких широт.
Результаты исследований показывают, что арктическая экосистема реагирует на антропогенные локальные и удаленные драйверы, связанные с изменением биологии, химии и физики океана, в течение как минимум 60 лет.
Учет этих тенденций в основе пищевой сети имеют важное значение для точного выявления реструктуризации экосистем в этой быстро меняющейся среде.
Диапазон воздействий, влияющих на Арктику, от локальных до отдаленных, требует новых подходов к мониторингу и оценке, которые выходят за рамки краткосрочных, пространственно ориентированных и единых дисциплинарных исследований.
Только сочетание передовых методов биомаркеров, телеметрии и современного моделирования океана может обеспечить целостное понимание того, как возникают долгосрочные изменения в Баренцевом море. Анализ был подкреплен уникальным набором долгосрочных архивных образцов, подчеркивающих важность длительных наблюдений для фиксации последствий изменений. При этом производительность на более высоких трофических уровнях все больше ограничивается изменчивостью в основе пищевой сети. Слово «трофический» происходит от τροφή - «еда». Как количество трофических уровней, так и их сложность со временем увеличиваются, исключение составляют периодические массовые вымирания.
Однако мониторинг изменений в полярной морской среде в течение нескольких десятилетий является логистически сложной задачей, а отсутствие долгосрочных наблюдений, как на местном, так и в панарктическом масштабе, затрудняет понимание того, как антропогенная (человеческая) деятельность влияет на базу арктических пищевых сетей.
В конечном счете, эти результаты показывают, что экосистема Баренцева моря подвергалась воздействию антропогенно-индуцированных изменений климата и азотного цикла в течение не менее 70 лет (с 1950-х годов), выходя за рамки периода времени, доступного наблюдений со спутников и прямых океанографических исследований.
Стабильные изотопы азота -15 помогают в обнаружении изменений окружающей среды. Пелагические морские системы регулируют климат - все его изменения, они способствуют круговороту воды, поддерживают биоразнообразие, обеспечивают продовольствием и энергетическими ресурсами человечество. Сами значения очень чувствительны к изменениям окружающей среды, отражая сдвиги различных водных масс. Поступления азота наземного происхождения и изменения в скорости биогеохимических процессов отражают многие процессы в океане. От этого зависят: первичное производство, реминерализация и биологическая фиксация данного азота.
Фитопланктон образует основу пищевой цепи, здесь важную роль играют нитраты в качестве важного источника азота для биосинтеза.
При поглощении нитратов фитопланктон в свои клетки интегрирует изотопную сигнатуру или состав нитрата и их органическое вещество.
Нитрат поступает в Северный Ледовитый океан через атлантическую воду через Баренцево море, а также с тихоокеанской водой, пересекающей Берингов пролив.
В пелагических морских системах фитопланктон составляет основу пищевой сети и зависит (как мы уже отметили) от нитратов — это его основной источник азота для биосинтеза. Анализируя стабильные изотопы азота в биоматериале, можно обнаружить тенденции, характерные для окружающей среды.
Зубы тюленя похожи на годичные кольца деревьев. На них ежегодно нарастают слои дентина, что дает возможность определить возраст животного. С помощью различных биомаркеров также есть возможность оценить, как арктические экосистемы реагируют на изменение климата.
Анализ зубов гренландских тюленей (Pagophilus groenlandicus) из коллекции норвежских научных учреждений, собранных начиная с 1950-х годов показал, что антропогенное воздействие изменило состав воды в Северном Ледовитом океане и число планктона снизилось.
Значение зубов для животных невозможно переоценить - именно этот «инструмент» позволяет удержать и эффективно обработать пищу. Форма и величина зубов не случайны и во многом определяются пищей, которую употребляют животные. Что особенно остро вынуждает их к миграции при резком или явном измени привычного рациона питания. Зубы многих ластообразных приспособлены к определённому рациону и для охоты на определенные морские виды.
Так, например, в проекте «Элементы большой науки» опубликовали исследования значение зубов для ластообразных животных. Моржи и морские зайцы ищут пищу на дне: моржи добывают в основном двустворчатых моллюсков, а морские зайцы — более широкий спектр бентосной фауны. Зубы этих видов плоские или немного заостренные и не содержат долек или фестонов, зато оба вида обладают мощными вибриссами (усами) для эффективного поиска пищи на дне, а также рядом черт, которые позволяют увеличить ротовую полость, чтобы извлекать добычу со дна «всасыванием» или «выдуванием» (hydraulic jetting, то есть резкий выброс воды изо рта для избавления от субстрата вокруг добычи). Зубная система моржа интересна малым количеством зубов — их у него 18–24 (у других ластоногих — 22–38) — и, конечно, мощными бивнями (видоизмененными верхними клыками), которые, тем не менее, используются не для питания, а для того, чтобы забираться на лед. И таких особенностей великое множество. И это касается всей природы эволюции океана и поверхности суши.
Есть исследования, которые помогают понять, как долго идет всеобщее фундаментальное взаимодействие существ и растений в природе. Или, например, антагонизм лесов, лугов и пустынь. Или взаимодействие в высоких широтах тропической части Атлантического океана с умеренной частью Тихого океана, что выявляется при анализе химических и биологических изменений в организмах наземных млекопитающих, наземных птиц и морских рыб. Для этого были проанализировали окаменелости 5 427 видов млекопитающих, некоторые из которых датируются ранним меловым периодом от 145 до 100 миллионов лет назад.
В Арктике и особенно в Баренцевом море, являющемся главными вратами между Арктикой и прилегающим Атлантическим океаном, происходят одновременные изменения циркуляции водной массы, скорости притока Атлантического и Тихоокеанских морей.
Первое и основное, что обнаружили исследователи, общий объем и скорость атлантической воды, текущей на север, увеличились за последние десятилетия, что привело к более низким содержаниям азота-15 (δ15N) в Баренцевом море.
Второе, атлантическая вода, поступающая в Баренцево море, состоит из североатлантических субполярных и субтропических вод и доли субтропических вод, поступающих в Баренцево море, которое имеет более низкие азотные значения, чем приполярная вода, увеличившаяся за последние три десятилетия.
И в-третьих, с начала двадцатого века более широкое использование промышленных азотных удобрений, а также сжигание ископаемого топлива более чем удвоили атмосферное осаждение Азота-15, который попадает и смешивается в Атлантическом океане. В целом, Баренцево море переходит от холодной, стратифицированной соленостью шельфовой морской системы к более теплому, менее стратифицированному атлантическому режиму.
Анализ биомаркеров архивов тканей хищников предлагает уникальное решение для преодоления этих ограниченных возможностей отбора проб на разных глубинах и в разных областях океана.
Содержаниям азота (δ15N) в тканях хищника отражает уровень и количество взаимодействий животного и пищевой цепи. Ученые рассматривают это как значения влияния количества органического морского фитопланктона, и дает им представление об океанографических и биогеохимических изменениях, происходящих в их среде обитания.
Измерение изотопа и его значения в инертной ткани зубов хищников, такие как дентинные слои в зубах морских млекопитающих, могут реконструировать хронологические записи пищевой цепочки за периоды, невозможные при непосредственном наблюдении.
Арфовые тюлени являются выразительным и многочисленным ледяным и главным хищником Баренцева моря. Поскольку их миграционный ареал ограничен в пределах его акватории, то исследование этого вида является хорошим показателем изменений окружающей среды, происходящих в основании пищевой сети в этом регионе.
Популяция морского гренландского тюленя совершает ежегодные миграции между районами размножения и линьки в южной части Баренцева моря в конце зимы и ранней весной, и арктическими кормовыми угодьями в северном Баренцевом море летом и осенью, после отступления льда на север.
Поскольку миграционный ареал этой популяции гренландского тюленя ограничен в пределах одного региона, любые стрессоры, которые они испытывают, являются результатом экологических воздействий, происходящих в этом же регионе. Вместе с тем следует отметить, что ежегодные модели миграции гренландских тюленей зависят от положения кромки льда, которое также меняется. Лед в последние десятилетия отступил на север влияя на временную тенденцию и диапазон миграции гренландских тюленей и их пищевой цепочки.
Анализ стабильных изотопов азота в образцах показал, что деятельность человека уже повлияла на химсостав воды в Северном Ледовитом океане. Азот, содержащийся в воде, повлиял на объем фитопланктона, которого стало меньше. Им питается зоопланктон, который является пищей для рыб. Тюлени же питаются рыбой.
А информация о характере миграции тюленей показала, что вслед за ростом антропогенного осаждения азота в Северной Атлантике популяции тюленей переместились в более продуктивные богатые рыбой арктические воды.
Моделирование и понимание изменений во всей продовольственной цепочки, имеет огромное значение для сохранения видов особенно в пространственно неоднородной, быстро меняющейся среде, такой как Арктика. Это касается и регулирования промышленного рыболовства.
Миграции показывают, что рост осаждения азота в Северной Атлантике заставляет животных перемещаться в другие воды Арктики в поисках пропитания.