Смена режима — это резкие, крупные и стойкие изменения в структуре и функциях экосистем, вызванные постепенными изменениями условий окружающей среды. Смена режима была описана для большого разнообразия экосистем.
Один тип смены режима может происходить в озерах и прибрежных водах, когда быстрое истощение концентрации растворенного кислорода приводит к нехватке кислорода, что губительно для большинства водных организмов. Хотя это явление хорошо известно, лежащие в основе механизмы, вызывающие переход от кислородного к бескислородному состоянию, полностью не изучены.Ученые из UvA и Эдинбургского университета разработали математическую модель для исследования взаимодействия между микробным видовым составом и концентрацией растворенного кислорода.
Они обнаружили, что озера могут находиться в двух альтернативных стабильных состояниях: в одном озеро богато кислородом, а в другом ему не хватает кислорода. Переходы из кислородного в бескислородное состояние происходят в виде смены режима. «Когда приток кислорода постепенно снижается, поначалу цианобактерии и водоросли, производящие кислород, все еще сохраняются, и озеро остается в кислородном состоянии», — объясняет первый автор Тим Буш. Однако ниже критического порога преобладают сульфатредуцирующие бактерии и фотосинтезирующие серные бактерии.
Это вызывает повышение концентрации сульфидов, которые затем убивают цианобактерии и быстро переводят озеро из кислородного состояния в бескислородное ».Одним из последствий этого изменения режима является то, что вернуться к условиям, богатым кислородом, нелегко. Система отображает гистерезис.
Как только вода становится аноксичной, высокие концентрации сульфидов, поддерживаемые анаэробными серными бактериями, стабилизируют бескислородные условия. В результате для возврата к прежним кислородным условиям требуется гораздо больший приток кислорода, чем приток, который первоначально привел систему в аноксическое состояние.
Исследователи наблюдали за небольшим озером с сезонной аноксией в более глубоких слоях воды, чтобы изучить эти прогнозы модели. Озеро показало гистерезис при переходе между кислородными и бескислородными условиями, с изменениями в составе микробного сообщества в соответствии с прогнозами модели.
Подобные явления наблюдались в заболоченных прибрежных водах, где бескислородные условия и высокие концентрации сульфидов привели к массовой гибели рыб, моллюсков и многих других видов. Авторы указывают, что аналогичные сдвиги кислородно-бескислородного режима, вероятно, имели место в глобальном масштабе в геологическом прошлом Земли, когда обширные области океана стали обедненными кислородом в периоды глобального потепления и высоких концентраций CO2 в атмосфере. По словам профессоров Хейсмана и Муйзера, некоторые аспекты до сих пор полностью не изучены или не могут быть подробно определены количественно.
Однако эти результаты служат предупреждением о том, что продолжающееся эвтрофикация и потепление озер и морей может подтолкнуть эти экосистемы к критической точке перелома, вызывая быстрые переходы от кислородных к бескислородным условиям, которые нелегко обратить.Это исследование было поддержано приоритетной областью исследований системной биологии UvA, Европейским исследовательским советом, Советом по стипендиям Китая и Исследовательским офисом армии США.
