Г.М. Виноградов

Инвертированная пищевая пирамида фронтальной зоны Гольфстрима — результат эксплуатации экосистемы экосистемой. Там, где встречаются два мира, хищники одного из миров находят легкую добычу в другом.

pic_2019_03_39.jpg

Когда люди вспоминают про катастрофу «Титаника» 1912 года, всем кажется, что это было где-­то на севере. Ну как же: лед, айсберг, холодная вода. Между тем погиб он в точке с координатами 41°44′ с. ш., 49°57′ з. д. Москва, напомню, стоит на 55°45′ с. ш., то есть намного севернее. А место упокоения «Титаника» — чуть севернее Стамбула, но южнее Рима, на курортных широтах Европы. Так откуда же взялся тот злополучный айсберг?

Все очень просто. Он приплыл на юг вместе с водами холодного Лабрадорского течения, протекающего между побережьем Канады и Гренландией и устремленного в южном направлении из моря Баффина до Ньюфаундлендской банки. И здесь, под Ньюфаундлендом, оно вонзается в бок поднимающемуся на север вдоль Северной Америки теплому Гольфстриму. Из-­за чего, кстати, тут обычны туманы, тоже сыгравшие свою роль в ту роковую ночь.

Взаимодействие вод Гольфстрима и Лабрадора довольно сложно. Пришедшие с севера холодные воды с температурой, близкой к нулю или даже отрицательной (не замерзающие из-­за своей солености), проникая на юг, отдельными слоями подстилают более соленые теплые воды с температурой 16–18°С. До глубины 200–250 м может иметь место несколько таких перемежающихся слоев с быстро меняющейся во времени структурой. Здесь формируется мощнейший океанический фронт. Океанские гидрологические фронты — это относительно узкие (десятки километров, но что это в масштабах океана!) полосы воды, в которых стремительно меняются температура, соленость и другие гидрофизические параметры, возникающие на границах крупномасштабных океанических круговоротов и в местах столкновения течений. При этом по одну сторону от фронта может лежать холодная вода, а по другую — теплая.

Фронтальная зона в районе столкновения Гольфстрима и Лабрадора — одна из мощнейших на планете, она проявляется не только в поверхностных слоях воды, но и доходит до глубины порядка двух километров. И она точно приходится на место гибели «Титаника».

Почему это оказалось важным? Да потому, что, когда в 1990­х годах в России резко упало финансирование науки, институты РАН начали выживать как могли. В частности, морские экспедиции Института океанологии обеспечивались контрактными рейсами: исследовательские суда обследовали тот или иной объект, например, для нужд глубоководных киносъемок, а вырученные от этого средства шли на поддержание самих судов и на научные работы. С 1991 по 2005 год в районе гибели «Титаника» восемь раз работало научно-­исследовательское судно «Академик Мстислав Келдыш» с глубоководными аппаратами «Мир», способными достичь лежащих на глубине 3800 метров обломков. За это время тут было снято несколько документальных фильмов, а также отсняты кадры для «Титаника» Джеймса Кэмерона. Но помимо контрактных глубоководных работ, в экспедициях проводились и обычные океанологические исследования, и за эти восемь экспедиций район был изучен весьма и весьма подробно. И выяснились удивительнейшие вещи.

pic_2019_03_40-1.jpg
Температура воды на поверхности фронтальной зоны Гольфстрима 19 июля и 22 июля 2001 г., по данным спутниковых измерений; район работ отмечен крестиком. (Использованы суточные карты температуры воды Modular Ocean Data Assimilation System, выставленные в Интернете в свободном доступе Naval Research Laboratory Stennis Space Center.)

Все, наверное, помнят картинку из школьного учебника биологии: над 100 пшеничными колосками сидят десять мышей, а над ними — один коршун. Это пример классической пищевой пирамиды, одной из тех, на основе которых построено подавляющее большинство биологических сообществ Земли. Оно и понятно: органическое вещество, попавшее в пищевую цепочку, на пути от зеленых растений к травоядным животным и далее к хищникам и падальщикам, усваивается не полностью. Да к тому же ведь не все организмы данного уровня становятся чьей-­то едой.

В очень грубом приближении принято считать, что при переходе с одного трофического уровня на другой, более высокий, суммарная биомасса организмов (не путать с весом отдельных особей!) в экосистеме падает на порядок. Правда, на «мгновенном снимке» какой­-нибудь лужайки масса коров может оказаться выше массы травы – но это потому, что трава быстро отрастает заново. А волков (на достаточной площади) уже всегда будет меньше, чем коров. По идее, так должно быть всегда.

pic_2019_03_40-2.jpg

Acanthephyra pelagica

…Но все оказалось не так. Рутинные вертикальные ловы планктона большими планктонными сетями, необходимые для первого знакомства с новым местом работ, неожиданно стали приносить с километровой глубины многочисленных крупных (до 10 см длиной) красных креветок-­акантефир, живущих в толще воды, среди которых преобладали субтропически­бореальные Acanthephyra pelagica. Общая их биомасса (удельная величина, для сообществ толщи воды обычно выражаемая в сыром весе живого вещества либо в весе органического углерода на 1 м3 воды, иногда она считается для всего столба воды от поверхности до дна под 1 м2 поверхности океана) превышала биомассу остального зоопланктона, добытого этими ловами. И это при том, что акантефиры — одновременно и хищники, и трупоеды (в отличие от земных падальщиков, они подбирают мертвых животных из толщи воды, а не со дна) — то есть среди планктонных животных они занимают весьма высокое место в трофической пирамиде, аналогичное месту волков и медведей на картинке с коровами на лужайке. Их должно быть меньше, чем тех «коров», которыми они питаются. А их было  больше. В наиболее ярких случаях биомасса A. pelagica в слое 1000–1300 м в шесть-­семь раз превышала биомассу кормового мезопланктона, а в слое 600–1000 м в 1998 году превышение оказалось 25­-кратным!

После нескольких лет работ выяснилась еще одна вещь: чем более выражена в данный момент фронтальная зона, чем интенсивнее перемешиваются в верхнем полукилометре воды теплые воды Гольфстрима с холодными водами Лабрадора — тем больше креветок сидит на километровой глубине. В наиболее бурном 1998 году биомасса акантефир превысила 180 г в столбе воды под квадратным метром морской поверхности. Порой сети приносили с километровых глубин десятки креветок на лов. А в годы с нерезким фронтом и слабым влиянием Лабрадорского течения креветок, наоборот, становилось меньше. В конце концов с этим явлением все­-таки разобрались.

Давно известно, что фронтальные зоны более богаты жизнью, чем окружающий океан. Выражается это не в большем разнообразии животных, а в большем их количестве, в более высокой биомассе. Повышение биомассы во фронтальных зонах объясняли (и объясняют) по-­разному: и тем, что потоки воды механически концентрируют здесь одноклеточные фитопланктонные водоросли, создающие основу пищевых цепей океана, а чем больше еды, тем больше и едоков; и тем, что активное перемешивание воды выносит в поверхностные воды больше микроэлементов, вызывающих развитие все того же фитопланктона; и тем, что пелагические животные задерживаются возле резких горизонтальных гидрофизических градиентов, и многим другим. Однако наиболее любопытное и, по-­видимому, наиболее соответствующее истине объяснение возникает, если вспомнить одну гипотезу, которую выдвинул известный эколог, профессор Барселонского университета Рамон Маргалеф.

pic_2019_03_40-3.jpg
Смешение вод: вертикальное распределение температуры (сплошная линия, верхняя шкала) и солености (пунктирная линия, нижняя шкала) на полигоне «Титаник» 19 июля 2001 года, по данным гидрофизических зондирований. Видно переслаивание «северных» и «южных» вод ближе к поверхности

Вспомним, что биологические сообщества не всегда неизменны, в своем развитии они закономерно сменяют друг друга. Известный пример из школьного учебника: на месте березовой рощи со временем вырастает ельник. Такая смена сообществ называется сукцессией, причем в нашем примере березняк будет сукцессионно более молодым сообществом, а ельник — более зрелым или продвинутым.

Так вот, с точки зрения Маргалефа, при контакте двух экосистем более зрелая, более сукцессионно продвинутая, с устоявшейся сложной структурой межвидовых взаимоотношений экосистема может эксплуатировать ресурсы экосистемы сукцессионно более молодой, с высокой биомассой нижних этажей трофической пирамиды, на которую не давит еще собственная надстройка из высоких трофических уровней. И при этом в более зрелой экосистеме начинает увеличиваться обилие именно животных из верхних трофических этажей, получающих, кроме собственных ресурсов их родной экосистемы, дополнительные источники вещества, из которого можно строить свои тела, и энергии, которая позволит этим телам существовать. Поток энергии и материи (органического вещества) идет от системы, находящейся на более низкой стадии сукцессионного развития, к более зрелым сообществам. Часть энергии молодой системы поглощается более зрелой, и происходит быстрое увеличение продукции (и биомассы) высоких трофических уровней в более зрелых сообществах.

Именно эта гипотеза позволяет понять, что же происходит на фронте Гольфстрима. Потому что воды Гольфстрима населены зрелой экосистемой Североатлантического субтропического круговорота — гигантского кольца течений, захватывающего добрую четверть Атлантического океана, поднимающегося к северу вдоль Америки (как раз Гольфстрим) и спускающегося в более южные края вдоль Африки. Тропические и субтропические воды характеризуются высоким биоразнообразием и не слишком высокой биомассой населяющих их животных. При таком раскладе все трофические связи работают на полную мощность и настроены на максимальное вытягивание органического вещества на верхние трофические уровни экосистемы. Для вод круговорота характерна низкая биомасса мезопланктона на всех глубинах и резкое ее уменьшение глубже 800–1000 м. И креветки-­акантефиры — часть именно этого мира.

А Лабрадорское течение идет с севера и несет в себе частицу высокопродуктивных, но не слишком разнообразных экосистем северных морей. Экосистем, развитие которых сильно завязано на сезонные циклы, — понятно, что зимы севера и бореальных широт гораздо сильнее влияют на обитателей моря, чем зимние месяцы в тропиках. Поэтому экосистемы там все время начинают развиваться заново, они юны и незрелы, и основная доля биомассы «застревает» в них непосредственно на уровне питающихся фитопланктоном рачков-­копепод, тех самых калянусов, которыми кормятся стада северной сельди. И этого калянуса там много, ибо в трофической пирамиде он аналогичен десяти мышам, а не одному коршуну.

И вот набитый рачками, биомассой, едой холодный Лабрадор врубается сбоку в теплые воды Гольфстрима. Для начала все его обитатели получают температурный шок, который если и не убивает их (а может и убить), то сильно влияет на подвижность. Оглушенные рачки начинают тонуть... и тут-­то их и подхватывают акантефиры экосистемы Гольфстрима.

Представьте себе огромный транспортер, выставленный в Гольфстрим откуда-­то сбоку, по которому едет и едет еда, и вот тут, во фронтальной зоне, транспортер кончается, и еда начинает кучами валиться на пиршественный стол. Причем еда «левая», не оплаченная ресурсами местной экосистемы. И такая, съесть которую могут только достаточно «высокопоставленные» хищники. Конечно, они тут же создают в воде высокую концентрацию себя, некий аналог сети, который отлавливает и усваивает валящиеся на них дары Лабрадора. И естественно, чем резче фронтальная зона, чем сильнее смешение вод, тем больше еды поставляет этот конвейер и тем больше креветок могут на ней существовать. Их родные ресурсы не прокормили бы и доли этой оравы. Еще раз подчеркнем: парадоксальная ситуация, когда биомасса хищников значительно превосходит биомассу их жертв, реализуется именно благодаря тому, что поток «посторонних» жертв постоянно проносится через сеть хищников.

pic_2019_03_41.jpg
Соотношение биомассы креветок­-акантефир и мелкого зоопланктона в уловах планктонных сетей в столбе воды на полигоне «Титаник» в 1998 году

Потом выяснилась еще одна любопытнейшая деталь. Оказалось, лабрадорский конвейер поставляет в Гольфстрим два сорта продуктов. Дело в том, что наиболее массовых видов калянуса в северных водах два. Один из них, Calanus hyperboreus, — это относительно крупные, с большое рисовое зерно, рачки. Именно они создают основу биомассы мезозоопланктона, именно на питание ими ориентированы акантефиры. Второй вид — гораздо более мелкий Calanus finmarchicus. Акантефир в качестве еды он не слишком интересует: маловат. Зато им охотно питаются сантиметровые хищные рачки-­гиперииды рода Themisto. Надо ли говорить, что концентрация темист во фронтальных водах тоже оказалась повышенной? Правда, не настолько сильно, как концентрация акантефир.

То, что «акантефира-­гипербореус» и «темисто-­финмархикус» — это две похожие, однотипные, параллельные, но все же относительно независимые пищевые цепочки, стало ясно, когда в один из годов из-­за какого­-то завихрения течений C. hyperboreus принесло во фронтальную зону меньше, а C. finmarchicus — больше, чем в другие годы. И тут же количество акантефир в пробах резко снизилось, а количество темист возросло.

Теперь, когда с креветками полигона «Титаник» более-­менее разобрались, стало понятно, что перевернутая пищевая пирамида не является уникальной чертой именно фронта Гольфстрима, хотя здесь она выражена особенно резко. Когда знаешь, что искать, искать становится легче. Вероятно, из­-за работы аналогичного механизма некоторое увеличение численности ряда видов пелагических декапод, включая A. pelagica, наблюдается и в водах Азорского фронта между водами восточно-атлантической и западно-атлантической модификации, который также характеризуется резкими температурными градиентами. Наверное, то же может происходить и на других фронтах. Выяснение истинной роли подобных явлений в «экономике» океана требует дальнейших исследований. Когда (и если) наш научный флот вернется в Большой Океан, этим непременно займутся.

 
Разные разности
Микробы делают чай вкуснее
Что влияет на количество теанина в чае? Этот вопрос исследовали китайские ученые. Они тщательно изучили и сравнили по содержанию теанина 17 сортов чая и выяснили, что все зависит от количества и активности азотфиксирущих бактерий, обитающих на к...
Анатомия «Руанского собора»
В Музее изобразительных искусств имени Пушкина в Москве в феврале и марте прошла необычная выставка. Всего две картины Клода Моне — «Руанский собор в полдень» и «Руанский собор вечером». А рядом были представлены результаты физико-хими...
Пирожное как источник топлива
На волне интереса к биотопливу появилась идея использовать невостребованные хлебобулочные изделия в качестве сырья для биотоплива. А почему бы и нет? Хлеб содержит много крахмала. Он легко расщепляется ферментами на молекулы сахара, которые затем дро...
Универсальное противоядие
Ученые Исследовательского института Скриппса изучили нейротоксины, вырабатываемые многочисленными ядовитыми змеями и создали универсальное противоядие против ядов крайтов, тайпанов, кобр и мамбы.