DOI: https://doi.org/10.1126/science.adh4893
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38359106
تاريخ النشر: 2024-02-15
المؤلف: Simone Moretti وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الجيولوجيا وعلم المناخ القديم
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على انخفاض كبير في مخزون الأكسجين في المحيطات العالمية بسبب الاحترار العالمي، مع وجود عدم يقين خاص حول المناطق ذات الأكسجين المنخفض في المناطق الاستوائية. تشير النتائج الجديدة من الحدث الحراري في العصر الباليوسين-الإيوسيني (PETM)، وهو حدث احترار تاريخي، إلى أن شمال المحيط الهادئ الاستوائي شهد زيادة في الأكسجة خلال هذه الفترة. على وجه التحديد، تشير نظائر النيتروجين من الفورامينيfera إلى انكماش منطقة نقص الأكسجين، بينما تشير زيادة حجم الفورامينيfera إلى توافر الأكسجين بشكل أكبر في المياه السطحية الضحلة. تتماشى هذه الملاحظات مع محاكاة نماذج المحيطات التي تتنبأ بارتفاع مستويات الأكسجين في المياه السطحية الاستوائية، المنسوبة إلى انخفاض الإنتاجية البيولوجية على الرغم من الانخفاض العام في أكسجين المحيطات العالمية. قد يكون لهذا الارتفاع في الأكسجين الاستوائي دور حاسم في منع أحداث الانقراض الجماعي خلال PETM.
باختصار، توفر الدراسة أدلة على أنه خلال فترة جيولوجية مشابهة للاحتباس الحراري الناتج عن الأنشطة البشرية الحالية، كان هناك زيادة ملحوظة في الأكسجة في المحيطات ذات خطوط العرض المنخفضة، كما تشير إليه نظائر النيتروجين وحجم الفورامينيfera.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للأكسجين في النظم البيئية البحرية وتوزيعه في المحيط، والذي يؤثر بشكل كبير على مواطن الكائنات البحرية المتنوعة. تشير البيانات التاريخية إلى وجود علاقة قوية بين ارتفاع محتوى حرارة المحيط وانخفاض مستويات الأكسجين على مدار الـ 45 عامًا الماضية، مع تأثيرات ملحوظة على النظم البيئية الساحلية. على الرغم من التوقع بأن هذه الاتجاهات العالمية ستستمر، إلا أن التأثيرات الإقليمية، لا سيما في المحيطات الاستوائية – موطن التنوع البيولوجي العالي والإنتاجية – لا تزال غير مفهومة بشكل كاف.
تناقش هذه الفقرة استخدام قياسات نظائر النيتروجين من الأرشيفات الرسوبية بالقرب من المناطق ذات نقص الأكسجين (ODZs) لتقييم استجابتها لتغير المناخ. تشير الأدلة إلى أن ODZ في شمال المحيط الهادئ الاستوائي، الأكبر عالميًا، ينكمش عندما تضعف الرياح التجارية، وهو اتجاه من المتوقع أن يتعزز مع الاحترار المناخي. تشير إعادة البناء التاريخية إلى انكماشات مماثلة خلال الفترات الدافئة في عصور الإيوسيني والميوسين. ومع ذلك، فإن التباين الملحوظ في البيانات الحديثة وتأثير العمليات الجيولوجية على مدى فترات زمنية أطول يثير تساؤلات حول تداعيات هذه النتائج على سلوك ODZ في المستقبل تحت الاحترار الناتج عن الأنشطة البشرية. بالإضافة إلى ذلك، تشير الأدلة المتناقضة من الحد الأقصى الجليدي الأخير إلى علاقة معقدة بين المناخ وحجم ODZ، مما يزيد من تعقيد التنبؤات بشأن ODZ في عالم دافئ. تختتم المقدمة بالإشارة إلى الحدث الحراري في العصر الباليوسين-الإيوسيني، وهو الحدث الأكثر أهمية قبل الاحترار الناتج عن الأنشطة البشرية، مما يبرز أهمية فهم ديناميات ODZ في سياق تغير المناخ المستمر.
مناقشة
تسلط فقرة المناقشة في ورقة البحث الضوء على نتائج مهمة تتعلق بالحدث الحراري في العصر الباليوسين-الإيوسيني (PETM) وتداعياته على ديناميات الأكسجين في المحيطات والتنوع البيولوجي البحري. تميزت PETM بانخفاض ملحوظ في δ¹³C للمواد الرسوبية، وزيادة عالمية في درجة الحرارة لا تقل عن 5 درجات مئوية، وتضاعف في مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، مما أدى إلى تدهور واسع النطاق في المحيط وزيادة كبيرة في تغير الفونا. تعيد الدراسة بناء التغيرات في المناطق ذات نقص الأكسجين (ODZs) خلال PETM باستخدام نظائر النيتروجين المرتبطة بالفورامينيfera، كاشفة عن انخفاض ملحوظ في متوسط نترات δ¹⁵N في طبقة المياه في المحيط، لا سيما في شمال المحيط الهادئ. يشير هذا الانخفاض إلى تقليص كبير في نزع النيتروجين من عمود الماء، وهو أمر حاسم لفهم أنماط أكسجة المحيط في الماضي والمستقبل.
بالإضافة إلى ذلك، تفحص الأبحاث حجم جسم الفورامينيfera كمؤشر لمستويات الأكسجين في مياه البحر في الماضي، حيث وجدت أنه بينما أظهرت الفورامينيfera العائمة زيادة في الحجم خلال PETM، أظهرت الفورامينيfera القاعية انخفاضًا. يشير هذا التباين إلى زيادة في توافر الأكسجين في المياه السطحية في المناطق شبه الاستوائية، مما يتناقض مع انخفاض مستويات الأكسجين في المياه الأعمق. تشير النتائج إلى أن انخفاض إمدادات المغذيات، ربما بسبب انخفاض الارتفاع الاستوائي، قد يكون قد دفع التغيرات الملحوظة في ديناميات الأكسجين. تفترض الدراسة أن أنماط الأكسجة خلال PETM يمكن أن تكون نموذجًا للتنبؤ باستجابات المحيط المستقبلية لتغير المناخ، لا سيما فيما يتعلق بانكماش ODZs وتداعياتها على التنوع البيولوجي البحري في سيناريوهات الاحترار.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.adh4893
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38359106
Publication Date: 2024-02-15
Author(s): Simone Moretti et al.
Primary Topic: Geology and Paleoclimatology Research
Overview
The research highlights a significant decline in the global ocean’s oxygen inventory due to global warming, with particular uncertainty surrounding low-oxygen regions in the tropics. New findings from the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM), a historical warming event, suggest that the tropical North Pacific experienced increased oxygenation during this period. Specifically, nitrogen isotopes from foraminifera indicate a contraction of the oxygen-deficient zone, while an increase in foraminifera size suggests enhanced oxygen availability in the shallow subsurface waters. These observations align with ocean model simulations that predict a rise in tropical subsurface oxygen levels, attributed to decreased biological productivity despite an overall decline in global ocean oxygen. This increase in tropical oxygen may have played a crucial role in preventing mass extinction events during the PETM.
In summary, the study provides evidence that during a geological period analogous to current anthropogenic warming, there was a notable increase in oxygenation in low-latitude oceans, as indicated by nitrogen isotopes and foraminiferal size.
Introduction
The introduction highlights the critical role of oxygen in marine ecosystems and its distribution in the ocean, which significantly influences the habitats of diverse marine organisms. Historical data indicate a strong correlation between rising ocean heat content and declining oxygen levels over the past 45 years, with notable effects on coastal ecosystems. Despite the expectation that these global trends will continue, regional impacts, particularly in the tropical oceans—home to high biodiversity and productivity—remain inadequately understood.
The section discusses the use of nitrogen isotope measurements from sedimentary archives near oxygen-deficient zones (ODZs) to assess their response to climate change. Evidence suggests that the ODZ in the eastern tropical North Pacific, the largest globally, contracts when trade winds weaken, a trend projected to intensify with climate warming. Historical reconstructions indicate similar contractions during warm periods in the Eocene and Miocene epochs. However, the variability observed in recent data and the influence of geological processes over longer timescales raise questions about the implications of these findings for future ODZ behavior under anthropogenic warming. Additionally, contrasting evidence from the Last Glacial Maximum suggests a complex relationship between climate and ODZ size, further complicating predictions for ODZs in a warming world. The introduction concludes by referencing the Paleocene-Eocene Thermal Maximum, the most significant pre-anthropogenic warming event, which underscores the urgency of understanding ODZ dynamics in the context of ongoing climate change.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant findings regarding the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM) and its implications for oceanic oxygen dynamics and marine biodiversity. The PETM was marked by a notable decline in the δ¹³C of sedimentary materials, a global temperature increase of at least 5 °C, and a doubling of atmospheric CO₂, leading to widespread ocean acidification and substantial faunal turnover. The study reconstructs changes in oxygen-deficient zones (ODZs) during the PETM using foraminifera-bound nitrogen isotopes, revealing a marked decline in mean ocean pycnocline nitrate δ¹⁵N, particularly in the North Pacific. This decline suggests a significant reduction in water column denitrification, which is crucial for understanding past and future ocean oxygenation patterns.
Additionally, the research examines foraminifera body size as an indicator of past seawater oxygen levels, finding that while planktic foraminifera exhibited an increase in size during the PETM, benthic foraminifera showed a decrease. This discrepancy indicates a rise in subsurface oxygen availability in the subtropical regions, contrasting with reduced oxygen levels in deeper waters. The findings suggest that a decline in nutrient supply, possibly due to decreased tropical upwelling, may have driven the observed changes in oxygen dynamics. The study posits that the PETM’s oxygenation patterns could serve as a model for predicting future ocean responses to climate change, particularly regarding the contraction of ODZs and implications for marine biodiversity under warming scenarios.