Глубоководные кораллы – колониальные организмы, которые могут жить в течение тысяч лет, питаясь органическим веществом, которое льется дождем от верхних уровней океана. Переход кораллов, подобные дереву скелеты состоят из твердого материала белка, который включает химические подписи от их источников пищи. В результате изменения в составе слоев роста в глубоководных кораллах отражают изменения в организмах, которые жили в поверхностных водах в то время, когда каждый слой сформировался.
«Они похожи на живущие ловушки осадка, делая запись долгосрочных изменений в открытом океане, что мы не видим никакой другой путь», сказал соавтор Мэтью Маккарти, преподаватель океанских наук в Санта-Крузе UC.Ученые могут изучить ядра осадка, взятые от дна океана для ключей к разгадке прошлых условий в океанах, но тот подход не очень полезен в течение новых тысячелетий.
В открытом океане Северного Тихого океана осадок накапливается так медленно, что весь голоцен (прошлые 12 000 лет или так) представлен меньше чем на 10 сантиметров (4 дюйма) осадка, который помешался организмами, живущими на морском дне. «Даже если бы были хорошие отчеты осадка, мы никогда не получали бы уровень детали, которую мы можем получить от кораллов», сказал Маккарти.Чтобы проанализировать коралловые скелеты, исследователи UCSC объединили датирование по радиоуглероду с новой техникой для анализа изотопов азота в белках. Они смогли восстановить отчеты за прошлые 1 000 лет, указав, что изменение произошло приблизительно в 1850 в источнике азота, кормящего поверхностные воды открытого океана.
В результате уменьшающихся исходных данных азота от подземных вод сообщество фитопланктона в основе пищевой сети все больше и больше становилось во власти фиксирующих азот cyanobacteria, которые в состоянии использовать газ азота, поглощенный поверхностными водами от атмосферы.«В морской среде два основных источника азота – расторгнутый нитрат, который является более сконцентрированным в недрах и глубоководным и поднят на поверхность, резко поднявшись, и фиксация азота специализированными микроорганизмами, которые похожи на бобы моря», объяснил первый автор Оуэн Шервуд, который работал над исследованием как постдокторский исследователь в UCSC и является теперь в Университете Колорадо, Валуна.Изменение показало в коралловом отчете – от экосистемы, поддержанной нитратом, подходящим от более глубоких вод до, каждый поддержал больше фиксирующими азот организмами – может быть результат Северного Тихоокеанского Субтропического расширения Спирали и становления теплее, с более стабильным иерархическим представлением теплой поверхностной воды по более прохладным подземным водам.
Эта увеличенная «стратификация» ограничивает сумму питательных веществ, поставленных поверхности в богатых питательным веществом подземных водах.Ученые наблюдали потепление и расширение главной середины океанских субтропических спиралей за прошлые несколько десятилетий и приписали эту тенденцию глобальному потеплению. Новое исследование помещает эти наблюдения в контекст долгосрочной тенденции. «Кажется, что изменение в источниках азота, и поэтому возможно крупномасштабные изменения в океанских условиях, включенных в конце Небольшого Ледникового периода и это все еще продолжается сегодня», сказал Маккарти.
Ключевые инновации в анализе изотопа азота были крайне важны для этого исследования. Азот 15 является незначительным стабильным изотопом азота, и отношение азота 15 к азоту 14 широко используется, чтобы проследить другие источники азота. У азота, зафиксированного cyanobacteria в поверхностной воде, например, есть различное отношение изотопа от нитратов в глубокой океанской воде. Отношение изотопа также изменяется, поскольку организмы едят друг друга и шаги азота через пищевую сеть с организмами в основе сети, имеющей более низкие отношения, чем организмы на более высоких «трофических уровнях».
Таким образом два независимых фактора – трофический уровень и первоисточник азота – определяют отношение изотопа азота в организме. Лаборатория Маккарти развивала технику, которая может отделить эти два фактора, анализируя отдельные аминокислоты – стандартные блоки белков.
Оказывается, что отношения изотопа некоторых аминокислот остаются неизменными, поскольку они перемещают пищевую сеть вверх, в то время как другие аминокислоты становятся обогащенными в азоте 15 с каждой трофической передачей.«Анализ аминокислоты расцепляет эти два эффекта, таким образом, мы видим их относительные величины», сказал Маккарти. «Что мы видим в центральном Тихом океане, главное изменение в основе пищевой сети».Степень изменения существенная: 17-процентное увеличение фиксации азота приблизительно с 1850, после почти тысячелетия относительно незначительных колебаний. «По сравнению с другими переходами в отчете paleoceanographic это гигантское», сказал Шервуд. «Это сопоставимо с изменением, наблюдаемым при переходе между плейстоценом и голоценами, за исключением того, что это происходит порядок величины быстрее».
Эти и другие недавние результаты изменяют понятия ученых о стабильности открытых циркуляций океана, такие как Северная Тихоокеанская Субтропическая Спираль, которая является самой большой смежной экосистемой на планете. Эти открытые циркуляции океана когда-то считали относительно статическими, лишенными питательного вещества «пустынями». В 1980-х, однако, ученые регулярно начинали контролировать океанографические условия на глубоководной станции АЛОХА около Гавайев, показывая удивительную сумму изменчивости.«Вместо относительно постоянных океанских пустынь данные временного ряда показали динамические изменения происходящего каждые десять лет масштаба», сказал Маккарти. «Наши новые отчеты от глубоководных кораллов теперь показывают, что изменения происходящего каждые десять лет масштаба – действительно только маленькие колебания, нанесенные на драматическое долгосрочное изменение в основе Тихоокеанской экосистемы.
Эта долгосрочная перспектива может помочь нам лучше предсказать эффекты глобального потепления на открытых океанских районах».Новые результаты также предлагают новую интерпретацию данных от других исследователей, показывающих изменения в изотопах азота в костях морских птиц. Недавнее исследование гавайских костей буревестника, используя оптовые данные об изотопе азота приписало изменение изменений в длине открытых океанских пищевых цепей, возможно вызванных, истощив рыбные запасы (то, чтобы вынуждать буревестников питаться ниже пищевой цепью). На самом деле определенные для комплекса данные сильно подразумевают, что изотопические изменения на всех трофических уровнях происходят более вероятно из-за долгосрочного изменения в источниках азота в основе пищевой сети, сказал Маккарти.
Соавтор Том Гилдерсон, который аффилирован с UCSC и Ливерморской национальной лабораторией, собирал глубоководные кораллы больше десятилетия, чтобы изучить их для ключей к разгадке прошлых океанографических и условий окружающей среды. Он объединился с Маккарти, чтобы начать этот проект.
В дополнение к Маккарти, Гилдерсону и Шервуду, среди соавторов бумаги аспиранты UCSC Фабиан Батиста и Джон Шифф.Коралловые образцы были собраны Рыбами гавайской Подводной научно-исследовательской лаборатории V аппаратов для изучения подводного мира с финансированием из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Национального географического общества.
Большая часть этого исследования финансировалась Национальным научным фондом.