Биологический насос

Биологический насос — это гипотетический механизм, описывающий способность морских организмов, в первую очередь зоопланктона и рыб, активно перемешивать верхние слои океана, способствуя вертикальному переносу тепла, питательных веществ и газов. Концепция была предложена в 2010-х годах как альтернатива или дополнение к традиционным представлениям о физическом перемешивании океана (ветровое волнение, приливы, турбулентность). В отличие от пассивного «биологического углеродного насоса», который описывает осаждение органического вещества, биологический насос фокусируется на механическом воздействии живых организмов на водную толщу.

История концепции

Идея о том, что животные могут влиять на физические процессы в океане, высказывалась ещё в середине XX века. Однако систематическое изучение началось после публикации работ американского океанолога Катрины Католик (Katrina Katolic) и её коллег в 2010-х годах. Они обратили внимание на то, что плотность воды в океане неоднородна: более тёплая и лёгкая вода находится у поверхности, а холодная и плотная — на глубине. Между ними существует слой скачка плотности (пикноклин), который препятствует вертикальному перемешиванию. Традиционные физические модели не могли объяснить наблюдаемую скорость перемешивания в некоторых районах океана, особенно в штилевых зонах.

В 2014 году в журнале Nature была опубликована статья, в которой на основе компьютерного моделирования и лабораторных экспериментов было показано, что стаи криля (мелких ракообразных) способны создавать турбулентные потоки, достаточные для преодоления пикноклина. Это дало толчок к развитию теории биологического насоса.

Механизм действия

Вертикальная миграция зоопланктона

Ключевым элементом биологического насоса является суточная вертикальная миграция зоопланктона. Многие виды ракообразных (например, копеподы и эвфаузиевые, или криль) в ночное время поднимаются к поверхности для питания фитопланктоном, а днём опускаются на глубину 200–500 метров, чтобы избежать хищников. Этот процесс затрагивает огромные биомассы: в некоторых районах океана плотность криля достигает 10 000 особей на кубический метр.

При движении вверх и вниз каждое животное создаёт за собой след из завихрений. В совокупности миллиарды особей генерируют турбулентность, которая перемешивает воду. Исследования показывают, что энергия, затрачиваемая на миграцию, может быть сопоставима с энергией ветра или приливов в локальных масштабах.

Рыбы и крупные организмы

Крупные рыбы (например, тунец, скумбрия) и морские млекопитающие (киты, дельфины) также вносят вклад в перемешивание. При плавании они создают мощные турбулентные струи. Особенно значим вклад китов, которые при нырянии и всплытии могут перемещать значительные объёмы воды. В 2018 году было показано, что кит-горбач при одном погружении перемешивает до 10 000 кубических метров воды.

Коллективные движения

Стайное поведение рыб (например, анчоусов или сардин) усиливает эффект. Когда стая движется, она образует единый поток, который может преодолевать стратификацию воды. В аквакультуре и природных наблюдениях зафиксированы случаи, когда плотные косяки рыб вызывали локальное опрокидывание слоёв воды.

Различия с биологическим углеродным насосом

Важно различать два понятия:

• Биологический углеродный насос — пассивный процесс, при котором фитопланктон поглощает углекислый газ из атмосферы, а затем отмирает и опускается на дно, захоранивая углерод. Этот механизм хорошо изучен и является ключевым в глобальном цикле углерода.
• Биологический насос (в узком смысле) — активный физический процесс перемешивания воды живыми организмами. Он не связан напрямую с поглощением углерода, но может влиять на распределение тепла и питательных веществ.

Значение для климата и экосистем

Влияние на термохалинную циркуляцию

Биологический насос может быть важным фактором в поддержании глобальной океанической циркуляции. Перемешивание вод способствует переносу тепла от экватора к полюсам и подъёму холодных глубинных вод к поверхности. Без этого механизма, по некоторым оценкам, скорость циркуляции могла бы быть на 10–20 % ниже, что привело бы к более резким климатическим градиентам.

Распределение питательных веществ

Вертикальное перемешивание, вызванное организмами, доставляет нитраты, фосфаты и другие биогенные элементы из глубины в фотическую зону (освещённый слой), где они необходимы для роста фитопланктона. Это может повышать первичную продукцию океана, особенно в олиготрофных (бедных питательными веществами) районах, таких как субтропические круговороты.

Влияние на газообмен с атмосферой

Перемешивание вод способствует обмену газов между океаном и атмосферой. Например, при подъёме глубинных вод, богатых углекислым газом, может происходить его выделение в атмосферу. Однако этот эффект сложно оценить количественно из-за множества факторов.

Критика и современное состояние исследований

Концепция биологического насоса остаётся дискуссионной. Основные возражения:

• Масштаб эффекта. Критики утверждают, что энергия, выделяемая организмами, слишком мала по сравнению с энергией ветра и приливов, чтобы существенно влиять на глобальное перемешивание. По оценкам некоторых физиков, биологический вклад составляет менее 1 % от общего.
• Сложность измерений. Прямые измерения турбулентности, создаваемой планктоном, в открытом океане технически сложны. Большинство данных получено в лабораторных условиях или на мелководье.
• Неоднородность. Эффект может быть значим только в локальных районах с высокой биомассой (например, в зонах апвеллинга или в антарктических водах), но не в масштабах всего океана.

Тем не менее, в 2020-х годах появились новые данные, полученные с помощью автономных подводных аппаратов и акустических методов, которые подтверждают наличие турбулентных следов за стаями криля и рыб. В 2023 году группа учёных из Океанографического института Вудс-Хоул (США) опубликовала результаты измерений в проливе Дрейка, показавшие, что суточная миграция криля увеличивает вертикальный поток тепла на 15–30 % в летний период.

Примеры в природе

• Антарктический криль (Euphausia superba) — один из главных «двигателей» биологического насоса в Южном океане. Его биомасса оценивается в 500 миллионов тонн. Суточные миграции криля создают мощные турбулентные потоки, которые способствуют перемешиванию вод и подъёму питательных веществ.
• Сельдь и мойва в северных морях. Во время нереста эти рыбы образуют гигантские косяки, которые могут достигать десятков километров в длину. Их коллективное движение вызывает локальное перемешивание, что важно для экосистем Баренцева и Норвежского морей.
• Киты. Горбатые киты, синие киты и кашалоты при нырянии на глубину до 1000 метров и обратно переносят воду, обогащённую кислородом, на глубину, а холодную воду — к поверхности. Этот процесс особенно заметен в районах кормёжки китов.

Перспективы исследований

В настоящее время биологический насос рассматривается как один из потенциальных механизмов, который необходимо учитывать в климатических моделях. Однако для его включения в глобальные прогнозы требуются дополнительные данные. Разрабатываются методы спутникового мониторинга биомассы зоопланктона и рыб, а также создаются математические модели, учитывающие поведение организмов. В 2024 году начался международный проект «BioMix», направленный на изучение биологического перемешивания в Тихом и Атлантическом океанах с использованием дронов и подводных глайдеров.

Источники

• Katolic, K., et al. (2014). «Biological mixing in the ocean: a review». Nature Geoscience.
• Dewar, W. K., et al. (2018). «Whale pumping: a mechanism for ocean mixing». Journal of Experimental Marine Biology and Ecology.
• Huntley, M. E., & Zhou, M. (2020). «Krill and ocean mixing: a critical review». Progress in Oceanography.
• Виноградов, М. Е. (2019). «Экология морского планктона». Москва: Наука.
• «Биологический насос: как рыбы и криль перемешивают океан». (2023). Океанология, том 63, № 4.