Планктон и продуктивность водоемов

Всем морским организмам, в том числе и планктонным, как всему живому, свойственно наращивать биомассу, то есть увеличивать с возрастом свой вес и продолжать свой род. Если бы в море не существовали эти два процесса - рост и размножение - море было бы безжизненной пустыней. Для того чтобы расти и создавать себе подобных, организм должен потреблять пищу, иметь ее всегда в достаточном количестве и тем добывать энергию, необходимую для жизнедеятельности.

Крупные хищники потребляют более мелких, самые мелкие - охотятся за животными, которые питаются растительной или смешанной пищей. Микроскопические водоросли используют растворенные в воде минеральные соли, но в отличие от животных организмов водные растения, как и наземные, без дополнительной энергии не могут создать из них новое органическое вещество. Откуда же берут растения эту дополнительную энергию?

Как и на суше, поставщиком этой энергии служит Солнце. Тем не менее, это еще не означает, что наиболее продуктивные области располагаются только в тропических морях. В действительности тропические моря и части океанов содержат относительно небольшое количество планктонных организмов на единицу объема воды.

Все растения обладают чудодейственным свойством создавать новое органическое вещество из неорганических солей при участии Солнца. Именно этим мельчайшим, почти невидимым невооруженным глазом планктонным растениям мы обязаны существованию богатой жизни в морях и океанах. Человек ежегодно вылавливает из океана огромное количество рыбы, промысловых беспозвоночных (моллюсков, креветок, крабов) и водорослей. Всего этого могло бы не быть, не обладай морские невидимки удивительным даром природы - с помощью солнечной энергии превращать неорганические вещества в органические.

В морской воде содержится значительное количество растворенных газов: кислорода, углекислоты и азота, то есть тех газов, которые необходимы для существования живых организмов. Животные как на суше, так и в воде поглощают кислород при дыхании, выделяя при этом углекислый газ. Растения же, наоборот, на свету потребляют углекислый газ и с помощью солнечной энергии образуют органическое вещество. При обильном развитии водорослей свободной углекислоты в воде остается немного, тогда они получают ее из двууглекислых и углекислых солей (бикарбонатов и карбонатов). Азот в основном используется особой группой азотфиксирующих микроорганизмов.

Водоросли - создатели первичной органики. В теле водорослевой клетки содержатся особые вещества, называемые пигментами. У зеленых водорослей этот пигмент (хлорофилл) - зеленого цвета, поглощающий в основном красные лучи солнечного спектра. У красных водорослей пигмент (фикоэритрин) поглощает синюю часть спектра. Работа любого водорослевого пигмента заключается в поглощении солнечных лучей и образовании органического вещества.

За счет водорослей существует масса животного планктонного населения океанов. Как уже упоминалось, водоросли в море могут жить лишь в слое, куда проникают, хотя бы в очень малой степени, солнечные лучи. В полной мере это относится к водорослям, которые не в состоянии существовать без солнца. Но есть морские водоросли, приспособившиеся к другим условиям существования.

При большом содержании в воде органических веществ некоторые нормально фотосинтезирующие водоросли при отсутствии света способны перейти к усвоению органических веществ, растворенных в воде. В таких случаях водоросли чаще всего теряют окраску, становятся бесцветными, хотя существуют вполне нормально. Если их поместить на свет, они снова начинают фотосинтезировать и приобретают свойственную им окраску.

Существуют водоросли, большей частью из группы жгутиковых, которые способны жить в условиях очень малого количества солнечного света и усваивать в основном только органическое вещество из окружающей их воды. Такой способ питания более похож на питание мелких простейших животных.

В любом случае, с помощью фотосинтеза или прямым усвоением растворенного в воде органического вещества, одноклеточные планктонные водоросли являются создателями новой, первичной органики, которая используется в дальнейшем планктонными животными.

Какова же скорость образования этой первичной органики? С какой быстротой могут размножаться водорослевые клетки?

Мелкие планктонные одноклеточные водоросли размножаются наиболее простым способом: клетка делится пополам, и из одной материнской сразу образуется две, несколько меньшие, клетки, но первоначальный размер их достигается довольно быстро. Образовавшиеся две дочерние клетки вскоре снова делятся пополам. Время между двумя делениями у разных водорослей различно - в среднем от 12 часов до 3 суток. Чтобы наглядно представить себе с какой скоростью может идти процесс образования водорослевой органики в морях и океанах, предположим, что в одном литре морской воды имеется пять клеточек разных водорослей. Если принять, что каждая клетка за сутки поделится пополам, то через трое суток в нашем литре из пяти первоначальных станет 40 живых водорослевых клеток. Через десять суток и при достаточном количестве питательных веществ литр воды будет представлять собой "водорослевую кашу". Трудно представить, что стало бы с океаном, если б потенциальные возможности размножения планктонных водорослей никто и ничто не ограничивало.

Прежде всего надо сказать, что такой темп размножения возможен лишь при наиболее благоприятных для водорослей условиях освещения, температуре и наличии питательных солей. Для каждого вида водорослей требуются определенные температура воды, величина освещенности и содержание растворенных в воде солей. Такие условия создаются в разное время года и в различных участках моря. В случае отсутствия этих условий темп деления водорослей значительно замедляется.

Важным фактором, ограничивающим накопление водорослей, является поедание их различными зоопланктонными организмами. Если в склянку с водорослями посадить одного планктонного рачка, то за одни сутки он может съесть все первоначально имевшиеся и все появившиеся клетки водорослей. Нечто подобное имеет место в море.

Необходимо иметь в виду, что количество растительного и животного планктона в единице объема различно: в умеренных морях планктонное население значительно богаче, чем в тропиках; у поверхности его больше, чем на глубине. Кроме того, планктон распределяется в море неравномерно. В море есть районы, где водорослевый планктон полностью съедают животные, и места накопления водорослей, где отсутствуют поедающие их планктонные организмы.

Пищевые взаимоотношения организмов планктона. Населяющие толщу воды животные могут питаться мелкими растениями, либо животными, или потребляют в пищу смешанный корм. Растительноядные планктонные животные, живущие за счет мелких водорослей в верхних слоях морей и океанов, составляют основную массу животного планктона или зоопланктона. И это естественно: животные, видимо, приспособились питаться той пищей, которой больше всего в слоях их обитания. Растительным планктоном питаются также и некоторые животные, обычно предпочитающие жить в более глубоких слоях, где водоросли существовать не могут. Такие животные вынуждены совершать суточные вертикальные миграции в верхние слои моря.

Сxeмa пищевых связей организмов в толще воды Черного моря. 1-9 - группы животных

Однако не всегда в море бывает достаточное количество водорослевой пищи, и тогда некоторые растительноядные животные переходят на животную пищу. Такие всеядные животные потребляют ту пищу, которая в данный момент находится в достаточном количестве. У некоторых организмов временная всеядность перешла в постоянную.

Как растительноядные, так и всеядные планктонные животные приспособлены к поеданию пищи определенного размера, то есть мелкие водоросли потребляются одними животными, более крупные - другими и т. д. Таким образом, создается как бы разграничение потребляемой пищи у разных животных.

В планктоне морей и океанов имеются животные-хищники, живущие за счет других, приспособившиеся к ловле и захвату жертвы определенного размера. В верхних слоях моря хищников сравнительно немного. В глубинных водах, где растительные организмы развиться не могут, планктонные животные, не поднимающиеся в верхние слои, питаются только животной пищей. Поэтому в глубоководном планктоне преобладают хищники. В их питании большое значение имеют также мертвые растения и животные, частично падающие из верхних слоев воды. Полуразложившиеся и распавшиеся на части остатки организмов и твердых продуктов их выделений носят название детрита. Частицы детрита являются прекрасной пищей и субстратом для массы живых микроорганизмов. Таких комочков, облепленных мелкими живыми организмами, в толще воды содержится большое количество. По мнению некоторых исследователей, они служат полноценной пищей многим животным.

Различные группы животных и растений связаны друг с другом а основе пищевых взаимоотношений. Развитие какой-нибудь группы организмов полностью ограничивается развитием другой группы, служащей пищей. Такие пищевые взаимоотношения устанавливаются в каждом водоеме и приобретают достаточно устойчивый характер.

Планктонное население Черного моря, например, занимает сравнительно небольшой слой - от поверхности до 100-150 м. Глубже вода заражена сероводородом и губительна для всего живого. В пределах этого слоя в черноморском планктоне можно насчитать около восьми различных групп организмов, связанных друг с другом пищевыми отношениями: мелкие, в основном жгутиковые, водоросли, изящные кокколитофориды, несущие на своем теле кремниевые палочки, разнообразные крупные водоросли (цепочки диатомовых, с нежными щетинками, рогатые, с плотными панцирями церациумы, плоские, монетообразные косцинодискусы), одноклеточный организм - ночесветка и др. Все вместе они составляют пищу двух последующих групп планктонных животных - растительноядных.

В первую из этих групп входят: ветвистоусый рачок пенилия, фильтрационный аппарат которого образован из 6 пар плавательных ножек (с их помощью пенилия вылавливает из воды мелкие водоросли и другие небольшие съедобные частицы), рачок-паракалянус - представитель многочисленного семейства веслоногих рачков, науплиусы - личинки планктонных рачков, хвостатая асцидия, или ойкоплеура, - одно из распространенных планктонных животных. Асцидия имеет интересный планктоноулавливающий механизм, который создается самим животным. Она выделяет прозрачное эластичное вещество, которое токами воды надувается и образует вокруг животного как бы домик с двумя отверстиями. Через эти отверстия ойкоплеура прогоняет воду. Специальные решеточки отфильтровывают мелкие водоросли, которые затем переправляются в рот. Если ойкоплеуру настигает какая-нибудь опасность, она оставляет домик и через некоторое время отстраивает себе новый.

В другую группу растительноядных животных черноморского планктона входят два вида веслоногих рачков. Это - калянус и псевдокалянус - хорошие мигранты, которые поднимаются в ночное время к поверхности воды. Оба эти рачка прекрасные пловцы и способны в период миграций плыть со скоростью до 9 м в минуту (не нужно забывать, что размеры пловцов не превышают 3 мм). Ночью в верхних слоях моря эти рачки активно питаются водорослями и ноктилюкой, откладывают яйца и успевают "напитаться" так, чтобы энергии хватило на подъем к поверхности в следующую ночь.

Особую группу представляют довольно многочисленные организмы, приспособившиеся питаться и водорослями и животной пищей. К ним относится веслоногий рачок акарция - один из массовых планктонных рачков верхних слоев Черного моря. Он может питаться и водорослями и животной пищей, особенно в период откладки яиц, когда требуется более калорийная пища. Длинными ротовыми конечностями акарция зачерпывает воду в направлении ко рту, постепенно процеживая ее сквозь сеточку мелких тонких щетинок, и, как рыбак неводом, собирает всю добычу к передней части головы. Затем более короткими конечностями захватывает порцию и проталкивает ее в рот.

Смешанной пищей питается ветвистоусый рачок эвадне. Он имеет черный глаз и треугольную выводковую камеру, где вынашивает зародышей. К этой же группе всеядных планктеров можно отнести и многих временных обитателей планктонного сообщества - разнообразных личинок донных животных. Необычайно интересным их представителем является зоеа - одна из стадий развития черноморских креветок и крабов. Эти необычайно прожорливые существа совершенно не похожи на своих живущих у дна родителей, что дало повод первым исследователям считать таких личинок даже самостоятельными животными.

И, наконец, веслоногие рачки - ойтоны и понтелли. Ойтона имеет очень стройное и обтекаемое тело с длинным и сильным хвостом, что несомненно помогает ей быстро двигаться и хорошо маневрировать в погоне за жертвами. Кстати сказать, эти рачки не гнушаются полакомиться своими сородичами и даже собственными детьми. Явление каннибализма среди хищников в планктонном ре встречается довольно часто. Понтелли - своеобразные копеподы, приспособившиеся существовать в самом верхнем слое моря и переносить условия большой освещенности. Интересно, что понтелли способны, наподобие летучих рыб, выпрыгивать из воды по 2-4 раза подряд, проделывая путь от 5 до 20 см за 1-2 сек., спасаясь таким образом от многочисленных рыб.

Более крупные планктонные хищники также нередки в Черном ре. Это - морская стрелка, гребневик и медузы.

Медузы - один из крупных представителей планктонного сообщества. Двигаются они по типу ракеты. Тело студнеобразное, почти прозрачное, сквозь которое просматриваются каналы, где переваривается пища, состоящая в основном из мелкого планктона. В Черном море можно встретить разных медуз. Наиболее распространенный вид медуз - аурелия. Она небольших размеров, с совершенно прозрачным телом и абсолютно безопасна для человека. Медуза корнерот имеет диаметр купола 20-25 см, тело у нее более плотное и упругое, чем у аурелии. Интересно, что висящие вниз от купола выросты (корни) имеют на конце отверстия, через которые пища проходит в пищеварительные каналы животного. При встрече в море с этой медузой ваше любопытство может стоить небольшого ожога и покраснения в месте соприкосновения с ней. Корнерот имеет большое количество стрекательных клеток, которые обжигают тело, как крапива. Тем не менее, ожоги эти не страшны, покраснение быстро проходит и обычно бытующий у нас страх перед этими существами совсем не оправдан. В некоторых случаях ожоги медуз применяются в лечебных целях.

Похожий по форме тела и размерам на крыжовник, гребневик плеуробрахия имеет прозрачное тело, покрытое рядами правильно расположенных гребных пластинок, с помощью которых он передвигается. Орудие для захвата пищи у плеуробрахии необычайно своеобразно. С двух сторон из небольших "карманчиков" растут два длинных щупальца, которые могут быть в несколько раз длиннее самого животного. Каждое щупальце имеет множество тонких ресничек, покрытых маленькими узелками, способными выделять клейкое вещество при соприкосновении с каким-либо предметом. Натыкаясь на жертву, щупальце выделяет липкую жидкость. Попытки вырваться из плена приводят к тому, что жертва еще сильнее приклеивается и в конце концов затягивается в рот.

Морская стрелка (сагитта) похожа на маленькую стеклянную трубочку, совсем прозрачную. Однако сагитта - одно из наиболее прожорливых морских существ: в сутки она может съесть столько же пищи, сколько весит сама.

Окончательным потребителем-хищником являются рыбы, поскольку в конечном итоге все планктонные организмы служат их пищей.

В каждом море пищевые связи в планктоне имеют свои особые черты. В них участвуют иные виды и группы организмов, связей может быть больше или меньше, но основная линия "растения → растительноядные животные → мелкие хищники → крупные хищники → рыбы" остается постоянной. Изучение таких связей в каждом водоеме имеет первостепенное значение, поскольку нельзя сказать, сколько можно выловить рыбы, какого размера следует ее ловить, в каких районах и на какой глубине производить лов, если не будет известно, как обеспечена рыба пищей.

Круговорот вещества и энергии в водоеме. Одним из важных законов природы, которому подчиняется все живое, является закон сохранения и превращения энергии. Солнечная энергия переходит в энергию органического вещества планктонных водорослей. И дальше, как мы видели, пищевые цепи передают эту энергию от одних животных к другим среди планктона, затем - рыбам и в виде продуктов питания, приготовленных из морских организмов, человеку. Следовательно, солнечная энергия только превращается в водоеме в различные формы, но не исчезает вовсе.

Круговорот вещества и энергии в Черном море: 1 - питательные вещества; 2 - растворенная органика; 3 - бактерии; 4 - детрит. Сплошными стрелками показаны процессы потребления, пунктирными - процессы выделения

Образование органического вещества в планктонных растениях и у животных идет параллельно с его постоянным разрушением. Одни организмы рождаются, растут, другие, достигнув определенного возраста, гибнут. Этому закону подчиняется на Земле все живое. В отмершем организме еще сохраняется энергия, накопленная в процессе жизнедеятельности. По закону сохранения энергии она не может исчезнуть бесследно. Иногда приходилось наблюдать гибель какого-нибудь рачка в небольшой чашке под микроскопом. Еще дергаются конечности, слабо и неравномерно сокращается сердце животного, а под панцирем уже хозяйничают вездесущие бактерии и одноклеточные инфузории. Они осуществляют полезное и необходимое дело разложения и минерализации всего отмершего в водоеме. Таким образом, часть энергии, заключенной в мертвых организмах, поступает с пищей к мелким простейшим животным и бактериям. Бактерии способны разложить мертвое тело на простые органические и неорганические соединения, которые затем усваиваются планктонными животными и, главным образом, водорослями. Значит, бактерии замыкают цикл превращения веществ и энергии.

Всякий организм дышит, потребляет пищу, усваивает какую-то ее часть, а какую-то выделяет в виде экскрементов, растет и размножается. В процессе жизнедеятельности организм и накапливает энергию в своем теле и в значительной степени растрачивает ее в окружающую среду.

В настоящее время установлено, что многие, в том числе и планктонные животные при наличии обильного корма поедают его в значительно больших количествах, чем способны усвоить. В таких случаях животное прогоняет через свой кишечник в 2-10 раз больше пищи, чем может перевариться и усвоиться. Значит, большая часть проглоченной пищи выбрасывается в виде экскрементов почти или совсем непереваренной, иногда даже в живом состоянии. Более крупные экскременты падают сразу на дно, мелкие - опускаются медленно и долго еще парят в толще воды.

Во многих случаях экскременты, или так называемый детрит, используют в пищу другие животные - детритояды. При этом детрит претерпевает еще одно энергетическое превращение.

Американский ученый Фокс рассчитал, что в мировом океане содержится около 1,5·10¹² т органического детрита. По его мнению, из этого колоссального количества в годовой круговорот вовлекается только одна десятая часть.

Часть вещества и энергии, заключающаяся в отмерших животных и растениях, постепенно осаждается на дно морей и океанов. Морское дно - это отнюдь не безжизненная пустыня. О своеобразных и причудливых донных организмах, ползающих, зарывающихся в песок и ил, прикрепляющихся к камням, раковинам и различным подводным сооружениям, можно было бы написать не одну книжку. Сейчас нас интересует только судьба того огромного количества детрита, который в конце концов опускается на дно моря. Оказывается, что большая его часть используется как пища донными животными. Таким образом, созданное растениями органическое вещество, затем потребленное и усвоенное планктонными животными, совершает еще одно энергетическое превращение и становится телом животных, постоянно обитающих на глубине.

Помимо экскрементов, любое живое существо выделяет продукты жизнедеятельности в жидком виде. Эти жидкие выделения тоже содержат какое-то количество органических веществ. Так как растворенное органическое вещество выделяют все организмы, живущие в водоеме, то общее количество его достаточно велико. Мировой океан представляет собой огромную кладовую, в которой хранятся многие тонны детрита и органического вещества. К сожалению, ученые еще не могут сказать определенно, в какой степени это органическое вещество может быть использовано.

Проглоченная пища должна пройти ряд превращений, раньше, чем она сможет быть усвоена организмом. Энергия усвоенной пищи расходуется на движение, дыхание, построение тканей собственного тела и на размножение. В результате процессов роста и размножения образуется новое органическое вещество, которое создает одновременно и запас энергии организма. Часть энергии, растрачиваемой организмом на дыхание, движение или переваривание пищи, не сохраняется в теле, а переходит во внешнюю среду.

Ученые подсчитали, что каждое звено общей пищевой цепи в водоеме (водоросли, растительноядные, хищники, рыбы) теряет в среднем одну десятую часть энергии, полученной с пищей.

Таким образом, все живые организмы, населяющие моря и океаны, участвуют в большом и всеобщем процессе превращения энергии в разные формы и передаче ее от одного пищевого звена к другому. В отдельно взятом водоеме или характерном его районе за время существования сложились определенные пищевые взаимоотношения между населяющими этот водоем организмами. На основе этих взаимоотношений, а также приспособленности животных данного водоема к свойственным ему условиям температуры, солености и прочим гидрологическим факторам, возникают предпосылки для создания нового органического вещества.

На стр. 69 схематически изображены пищевые связи растительных и животных организмов в Черном море. Сплошными стрелками обозначено потребление, а пунктирными - выделение. Например, группа рыб потребляет: зоопланктонные организмы, в том числе и крупных хищников, детрит и разнообразных донных животных, За время жизни рыба способна создать растворенные органические вещества и пополнить большую группу детрита. Или, например, животные, живущие на дне Черного моря, потребляют: планктонные водоросли, мелких животных, рыб, детрит и растворенное органическое вещество. Они способны выделить, возвратить в водоем растворенное органическое вещество и мертвую органику - детрит.

Продукция, образуемая каждым из пищевых звеньев, число самих звеньев и организмы в разных морях различны, но везде в Мировом океане необходимым звеном, без которого не могут существовать последующие, являются мельчайшие морские водоросли. Чем больше их в водоеме, тем больше будет произведено органического вещества всех последующих звеньев.

Общее количество органического вещества, которое создается в любом водоеме за какой-то определенный срок, например, год, можно рассматривать как показатель так называемой продуктивности данного водоема. Чем больше продукция планктонных водорослей, тем большей продуктивностью обладает это море, тем больше есть оснований считать, что оно может дать человеку значительные количества промысловых объектов.

Органическое вещество в форме промысловых рыб, крабов и прочих продуктов моря, используемых человеком, также может в какой-то мере считаться показателем продуктивности моря.