DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46263-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38480718
تاريخ النشر: 2024-03-13
المؤلف: Dylan Gomes وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث البحار والمصايد
نظرة عامة
إن الزيادة في انتشار وشدة موجات الحرارة البحرية (MHWs) تعطل بشكل كبير النظم البيئية البحرية، ومع ذلك فإن آثارها الشاملة على مستوى النظام البيئي لا تزال غير مدروسة إلى حد كبير. تستخدم هذه الدراسة بيانات وفرة زمنية من 361 نوعًا، مصنفة إلى 86 مجموعة وظيفية، جنبًا إلى جنب مع معلومات غذائية وجهود النمذجة السابقة، لبناء شبكتين من شبكات الغذاء باستخدام إطار عمل Ecotran. من خلال مقارنة نماذج النظام البيئي من قبل وبعد موجات الحرارة البحرية الأخيرة في شمال شرق المحيط الهادئ، تكشف الأبحاث عن تغييرات كبيرة في المساهمات (الفريسة) والطلبات (المفترسات) على مستوى النظام البيئي لمجموعات وظيفية مختلفة، حيث شهدت الأنواع الجيلاتينية التحولات الأكثر وضوحًا، والتي تميزت بشكل خاص بالتوسع نحو الشمال للـ pyrosomes.
تشير النتائج إلى أن العلاقات الغذائية المتغيرة وتدفقات الطاقة بسبب موجات الحرارة البحرية قد يكون لها آثار كبيرة على هيكل ووظيفة النظام البيئي، مما يثير القلق بشأن جدوى الأنواع المهددة والمستغلة. تسلط الدراسة الضوء على أن موجات الحرارة البحرية يمكن أن تعطل دورة المغذيات، مما يؤدي إلى ازدهار الطحالب الضارة والأحداث منخفضة الأكسجين، مما يزيد من التحديات البيئية. قد تؤدي هذه الآثار التراكمية إلى تحولات في توزيع الأنواع وهياكل مجتمعية جديدة، مما يحول في النهاية ديناميات المفترس-الفريسة وسلامة النظم البيئية البحرية بشكل عام.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح معايير اختيار المشاركين، وتصميم التجارب، والتقنيات الإحصائية المستخدمة لتحليل البيانات. استخدم الباحثون مزيجًا من الطرق الكمية والنوعية لضمان فهم شامل للظواهر قيد التحقيق.
على وجه التحديد، استخدمت الدراسة تجارب محكومة لعزل المتغيرات ذات الاهتمام، تلتها تطبيق اختبارات إحصائية مثل ANOVA وتحليل الانحدار لتقييم أهمية النتائج. بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم الأدوات والبرامج المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها، مما يضمن إمكانية تكرار النتائج وموثوقيتها. بشكل عام، تم تصميم الإطار المنهجي لاختبار الفرضيات بدقة والتحقق من الاستنتاجات المستخلصة من البيانات.
النتائج
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بتحليل بيانات وفرة زمنية من 361 نوعًا عبر ستة مسوحات طويلة الأجل لبناء شبكتين من شبكات الغذاء تمثل نظام شمال كاليفورنيا البيئي قبل وبعد بدء موجات الحرارة البحرية (MHWs). تشير النتائج إلى أن المستويات الغذائية الأدنى شهدت تغييرات أكثر أهمية في الكتلة الحيوية ومسارات الطاقة مقارنة بالمستويات الغذائية العليا بعد موجات الحرارة البحرية. بشكل ملحوظ، زادت وفرة pyrosomes، *Pyrosoma atlanticum*، بشكل كبير خلال فترة موجات الحرارة البحرية، مما أدى إلى تحولات كبيرة في ديناميات الطاقة وتقليل استهلاك العوالق النباتية من قبل الأنواع الأساسية، مما قد يكون له آثار متتالية على المستويات الغذائية العليا، بما في ذلك الأنواع السمكية ذات الأهمية التجارية.
على الرغم من هذه التحولات، ظل متوسط المستوى الغذائي للنظام البيئي دون تغيير، مما يشير إلى درجة من القوة في هيكل شبكة الغذاء. ومع ذلك، أشارت مقاييس الشبكة إلى زيادة التعقيد في نموذج موجات الحرارة البحرية، مما يثير القلق بشأن الاستقرار المحتمل للنظام البيئي تحت الاضطرابات المناخية المستمرة. تسلط الدراسة الضوء على الحاجة إلى استراتيجيات إدارة مصايد الأسماك التكيفية استجابةً لهذه التغيرات البيئية، خاصةً مع ظهور انخفاضات كبيرة في أنواع مثل سلمون تشينوك والسردين الهادئ. يدعو المؤلفون إلى نمذجة ديناميكية للنظام البيئي تأخذ في الاعتبار العوامل غير الحية لفهم وتوقع آثار تغير المناخ على النظم البيئية البحرية ومصايد الأسماك بشكل أفضل.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تطوير وتحليل نموذجين للنظام البيئي ضمن منصة EcoTran، مع التركيز على نظام المحيط الهادئ الشمالي قبل وأثناء ظروف موجات الحرارة البحرية (MHW). تم تحديد نموذج ما قبل موجات الحرارة البحرية باستخدام بيانات تم جمعها قبل عام 2014، بينما استخدم نموذج موجات الحرارة البحرية بيانات من عام 2014 فصاعدًا، تشمل مجموعات وظيفية مختلفة، ومخزونات مغذيات، ومصايد الأسماك. تم بناء كلا النموذجين باستخدام مجموعات بيانات واسعة، بما في ذلك مسوحات الكتلة الحيوية وقواعد بيانات مصايد الأسماك، وتم تصميمهما لتسهيل المقارنات المباشرة عبر فترات زمنية مختلفة دون الحاجة إلى فهم شامل للتأثيرات الفسيولوجية لموجات الحرارة البحرية على المجموعات الوظيفية.
يستعرض المؤلفون التعديلات التي أجريت على نموذج ما قبل موجات الحرارة البحرية، بما في ذلك تحديث تقديرات الكتلة الحيوية للـ euphausiid وكتل بيض اللافقاريات، مما يتطلب إعادة توازن شبكة الغذاء لتأخذ في الاعتبار التغيرات في ديناميات الاستهلاك. استخدموا تحليلات الشبكة لمقارنة هياكل شبكات الغذاء، مع قياس مقاييس مثل المتوسطات الغذائية وارتباط الشبكة. بالإضافة إلى ذلك، قاموا بتقييم المساهمات الطاقية للمجموعات الوظيفية من خلال مقاييس البصمة والوصول، التي تقيس انتقال الطاقة من المستويات الغذائية الأدنى إلى العليا. تم إجراء تحليلات إحصائية، بما في ذلك اختبارات t وطرق bootstrap، لتقييم الفروق في هذه المقاييس بين نماذج ما قبل موجات الحرارة البحرية ونموذج موجات الحرارة البحرية، مما يكشف عن تغييرات كبيرة في ديناميات النظام البيئي بسبب التغيرات في درجات الحرارة المرتبطة بموجات الحرارة البحرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46263-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38480718
Publication Date: 2024-03-13
Author(s): Dylan Gomes et al.
Primary Topic: Marine and fisheries research
Overview
The increasing prevalence and intensity of marine heatwaves (MHWs) are significantly disrupting marine ecosystems, yet their comprehensive effects at the ecosystem level remain largely unexamined. This study utilizes time series abundance data from 361 taxa, categorized into 86 functional groups, alongside dietary information and previous modeling efforts, to construct two food web networks using the Ecotran framework. By comparing ecosystem models from before and after recent MHWs in the Northeast Pacific Ocean, the research reveals substantial changes in the ecosystem-level contributions (prey) and demands (predators) of various functional groups, with gelatinous taxa undergoing the most pronounced transformations, notably marked by the northward expansion of pyrosomes.
The findings indicate that altered trophic relationships and energy fluxes due to MHWs could have significant implications for ecosystem structure and function, raising concerns for the viability of threatened and harvested species. The study highlights that MHWs can disrupt nutrient cycling, leading to harmful algal blooms and hypoxic events, which further exacerbate ecological challenges. These cumulative impacts may result in shifts in species distributions and novel community structures, ultimately transforming predator-prey dynamics and the overall integrity of marine ecosystems.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical procedures employed in the study. It details the selection criteria for participants, the design of the experiments, and the statistical techniques used for data analysis. The researchers utilized a combination of quantitative and qualitative methods to ensure a comprehensive understanding of the phenomena under investigation.
Specifically, the study employed controlled experiments to isolate variables of interest, followed by the application of statistical tests such as ANOVA and regression analysis to evaluate the significance of the results. Additionally, the section describes the tools and software used for data collection and analysis, ensuring reproducibility and reliability of the findings. Overall, the methodological framework is designed to rigorously test the hypotheses and validate the conclusions drawn from the data.
Results
In this study, the authors analyzed time series abundance data from 361 taxa across six long-term surveys to construct two food web networks representing the Northern California Current ecosystem before and after the onset of marine heatwaves (MHWs). The findings indicate that lower trophic levels experienced more significant changes in biomass and energy pathways than upper trophic levels following MHWs. Notably, the abundance of pyrosomes, *Pyrosoma atlanticum*, surged dramatically during the MHW period, leading to substantial shifts in energy dynamics and reduced consumption of phytoplankton by foundational species, which may have cascading effects on higher trophic levels, including commercially important fish species.
Despite these shifts, the average trophic level of the ecosystem remained unchanged, suggesting a degree of robustness in the food web’s structure. However, network metrics indicated increased complexity in the MHW model, raising concerns about the potential instability of the ecosystem under ongoing climate disturbances. The study highlights the need for adaptive fishery management strategies in response to these ecological changes, particularly as species like Chinook salmon and Pacific sardine have shown significant declines. The authors advocate for dynamic ecosystem modeling that incorporates abiotic factors to better understand and predict the impacts of climate change on marine ecosystems and fisheries.
Discussion
In this section, the authors discuss the development and analysis of two ecosystem models within the EcoTran platform, focusing on the North Pacific Ocean’s ecosystem before and during marine heatwave (MHW) conditions. The pre-MHW model was parameterized using data collected prior to 2014, while the MHW model utilized data from 2014 onwards, encompassing various functional groups, nutrient pools, and fisheries. Both models were constructed using extensive datasets, including biomass surveys and fishery databases, and were designed to facilitate direct comparisons across different time periods without needing a comprehensive understanding of the physiological impacts of MHW on functional groups.
The authors detail adjustments made to the pre-MHW model, including updates to euphausiid biomass estimates and invertebrate egg biomasses, necessitating a re-balancing of the food web to account for changes in consumption dynamics. They employed network analyses to compare food web structures, measuring metrics such as average trophic levels and network connectance. Additionally, they assessed the energetic contributions of functional groups through metrics of footprint and reach, which quantify the energy transfer from lower to higher trophic levels. Statistical analyses, including t-tests and bootstrapping methods, were conducted to evaluate differences in these metrics between the pre-MHW and MHW models, revealing significant changes in ecosystem dynamics due to temperature variations associated with MHW.