Благоустройство 

Особенности и распределение жизни в морях и океанах. Цианобактерии умеют «закорачивать» процесс фотосинтеза Пищевые цепи и пирамиды

Фотосинтез лежит в основе всей жизни на нашей планете. Этот процесс, идущий в наземных растениях, водорослях и многих видах бактерий определяет существование практически всех форм жизни на Земле, преобразуя потоки солнечного света в энергию химических связей, которая затем уже шаг за шагом передается к вершинам многочисленных пищевых цепочек.

Скорее всего, этот же процесс в свое время положил начало резкому увеличению парциального давления кислорода в атмосфере Земли и снижению доли углекислого газа, что в конечном итоге привело к расцвету многочисленных сложно организованных организмов. И до сих пор, по мнению многих ученых, только фотосинтез способен сдержать стремительный натиск СО 2 , выбрасываемого в воздух в результате ежедневного сжигания человеком миллионов тонн различных видов углеводородного топлива.

Новое открытие американских ученых заставляет по-новому взглянуть на фотосинтетический процесс

В ходе «нормального» фотосинтеза этот жизненно важный газ получается в качестве «побочного продукта». В нормальном режиме фотосинтетические «фабрики» нужны для связывания СО 2 и производства углеводов, выступающих впоследствии в качестве источника энергии во многих внутриклеточных процессах. Световая энергия в этих «фабриках» идет на разложение молекул воды, в ходе которого выделяются необходимые для фиксации углекислого газа и углеводов электроны. При этом разложении выделяется и кислород O 2 .

Во вновь открытом процессе для усваивания углекислого газа используется лишь малая часть выделяющихся при разложении воды электронов. Львиная же их доля в ходе обратного процесса идет на формирование молекул воды из «свежевысвобожденного» кислорода. При этом энергия, преобразуемая в ходе вновь открытого фотосинтетического процесса, не запасается в виде углеводов, а напрямую поступает к жизненно важным внутриклеточным энергопотребителям. Впрочем, детальный механизм такого процесса пока остается загадкой.

Со стороны может показаться, что подобная модификация фотосинтетического процесса является пустой тратой времени и энергии Солнца. Трудно поверить, что в живой природе, где за миллиарды лет эволюционных проб и ошибок каждая мелочь оказалась устроена предельно эффективно, может присутствовать процесс со столь низким КПД.

Тем не менее такой вариант позволяет защитить сложный и хрупкий аппарат фотосинтеза от чрезмерного облучения солнечным светом.

Дело в том, что фотосинтетический процесс в бактериях не может быть попросту остановлен в отсутствие необходимых ингредиентов в окружающей среде. До тех пор пока микроорганизмы подвержены воздействию солнечной радиации, они вынуждены преобразовывать энергию света в энергию химических связей. При отсутствии необходимых компонентов фотосинтез может привести к образованию свободных радикалов, губительных для всей клетки, а потому цианобактерии просто не могут обходиться без запасного варианта преобразования энергии фотонов из воды в воду.

Этот эффект пониженного уровня преобразования СО 2 в углеводы и пониженного же высвобождения молекулярного кислорода уже наблюдался в серии недавних работ в природных условиях Атлантического и Тихого океанов. Как оказалось, пониженного содержание питательных веществ и ионов железа наблюдаются почти в половине их акваторий. Следовательно,

примерно половина энергии солнечного света, приходящаяся на обитателей этих вод, преобразуется в обход привычного механизма поглощения двуокиси углерода и высвобождения кислорода.

А значит, вклад морских автотрофов в процесс поглощения СО 2 был прежде существенно завышен.

Как один из специалистов отдела всемирной экологии Института имени Карнеги Джо Бери, новое открытие существенно изменит наши представления о процессах переработки солнечной энергии в клетках морских микроорганизмов. По его словам, ученым еще предстоит раскрыть механизм нового процесса, но уже сейчас его существование заставит по-иному взглянуть на современные оценки масштабов фотосинтетического поглощения СО 2 в мировых водах.

Диатомовые водоросли преимущественно автотрофные растения, у них, как и у прочих автотрофных организмов, процесс образования органического вещества происходит в хлоропластах с помощью пигментов в процессе фотосинтеза. Первоначально было установлено, что пигменты у диатомей состоят из смеси хлорофиллов с ксантофиллами и фукоксантином. Позже для уточнения состава пигментов у диатомей был применен хроматографический метод, с помощью которого было выяснено присутствие в хлоропластах диатомей восьми пигментов (Dutton, Manning, 1941; Strain, Manning, 1942, 1943; Strain a. oth., 1943, 1944; Wassink, Kersten, 1944, 1946; Cook, 1945; Hendey, 1964). Эти пигменты следующие: хлорофилл α, хлорофилл с, β-каротин, фукоксантин, диатоксантин, диадиноксантин, неофукоксантин А и неофукоксантин В. Последние четыре пигмента входят в состав диатомина, открытого ранее. Некоторые авторы указывают еще на минимальное присутствие ксантофилла и феофитина (Strain а. oth., 1944).

Общее количество пигментов у диатомей составляет в среднем около 16% фракции липидов, но содержание их разное у различных видов. В литературе имеется очень мало данных о количественном содержании пигментов у морских планктонных диатомей, а для бентосных видов, которые особенно богаты желтыми и бурыми пигментами, данные почти отсутствуют (табл. 1 и 2).

Вышеприведенные данные показывают, что содержание пигментов варьирует даже у одного и того же вида. Имеются сведения о том, что содержание пигментов подвержено колебаниям в зависимости от интенсивности света, его качества, содержания питательных веществ в среде, от состояния клетки и ее возраста. Так, например, изобилие в среде питательных веществ при относительно слабой интенсивности света стимулирует продуктивность пигментов, и наоборот, высокая интенсивность света при недостатке питательных веществ в среде ведет к уменьшению концентрации пигментов. При недостатке фосфора и азота содержание хлорофилла а может снизиться в 2.5-10 раз (Финенко, Ланская, 1968). Установлено, что с возрастом клетки уменьшается содержание хлорофилла с.

Функции пигментов, кроме хлорофиллов, у диатомей еще недостаточно выяснены. Хлорофилл α является основным пигментом, поглощающим световую энергию всех лучей спектра, причем он имеет две формы, отличающиеся усвоением света: одна из них возбуждается непосредственно красным светом, а вторая, кроме того, также и энергией, передаваемой вспомогательным пигментом фукоксантином (Emerson, Rabinowitch, 1960). Остальные пигменты являются вспомогательными к хлорофиллу а, но они также играют относительно важную роль при фотосинтезе. Хлорофилл с имеет более высокий максимум поглощения в синей области, чем в красной, и следовательно, он способен утилизировать световые лучи меньшей длины волн, максимум поглощения у него лежит при 520-680 нм и падает до нуля при длине волны 710 нм, поэтому его абсорбция более интенсивна в зоне голубого света, т. е. на глубинах 10-25 м от поверхности воды, где хлорофилл а менее эффективен. Роль β-каротина недостаточно ясна, его спектр поглощения резко обрывается при 500 нм, что свидетельствует о его способности абсорбировать в лучах длины волн 500-560 нм, т. е. в области зелено-желтого света (в воде на глубинах 20-30 м). Таким образом, β-каротин передает усвоенную энергию хлорофиллу α (Dutton, Manning, 1941). Это известно, например, для Nitzschia dissipata , которая абсорбирует энергию в области зелено-желтого света (Wassink, Kersten, 1944, 1946). Бурые пигменты из группы фукоксантинов имеют максимум поглощения при длине волн около 500 нм и, по-видимому, обеспечивают фотосинтез диатомовых водорослей на глубинах 20-50 м путем передачи хлорофиллу поглощенной ими энергии. Даттон и Меннинг (Dutton, Manning, 1941), а позже Вассинк и Керстен (Wassink, Kersten, 1946) показали, что фукоксантин у диатомей является главным из дополнительных пигментов. Свет, абсорбируемый фукоксантином, утилизируется для фотосинтеза почти с такой же эффективностью, как свет, абсорбируемый хлорофиллом. Этого не наблюдается у зеленых и синезеленых водорослей, лишенных фукоксантина. Танада (Tanada, 1951) также выяснил, что у пресноводной диатомеи Navicula minima var. atomoides фукоксантин поглощает сине-голубой свет (450-520 нм) и утилизирует его так же эффективно, как свет, абсорбированный хлорофиллом. Хенди (Hendey, 1964) указывает длину световых волн, при которых происходит максимальная абсорбция света различными пигментами диатомей. В ацетоне они следующие (в ммкм): хлорофилл α - 430 и 663-665, хлорофилл с - 445 и 630, β-каротин - 452-456, фукоксантин - 449, диатоксантин - 450-452, диадиноксантин - 444-446, неофукоксантин А - 448 - 450 и неофукоксантин В - 448.

Химизм фотосинтеза у диатомей, по-видимому, несколько иной, чем у других растительных организмов, у которых конечным продуктом фото-синтеза являются углеводы, тогда как у диатомей - жиры. Исследования с помощью электронного микроскопа не обнаружили присутствия крах-мала ни в строме хлоропластов, ни вблизи пиреноидов. Фогг полагает, что у диатомей конечным продуктом ассимиляции также являются углеводы, но в быстро идущих дальнейших процессах метаболизма они превращаются в жиры (Collyer, Fogg, 1955; Fogg, 1956). Химический состав жиров у диатомей неизвестен ни для продуктов ассимиляции, ни для запасных питательных масел и масляных телец (Goulon, 1956).

В океанах, морях и пресноводных водоемах у поверхности воды условия для фотосинтеза близки к условиям в воздушной среде, но с погружением в глубину они меняются в связи с изменением интенсивности и качества света. В отношении освещенности различают три зоны: эуфотическую - от поверхности до 80 м глубины, в ней происходит фотосинтез; дисфотическую - от 80 до 2000 м, здесь некоторые водоросли еще встречаются, и афотическую - ниже, в которой свет отсутствует (Das, 1954 и др.). Фотосинтез морского и пресноводного фитопланктона в поверхностном слое воды достаточно исследован как в природных, так и в культуральных условиях (Wassink, Kersten, 1944, 1946; Вотинцев, 1952; Tailing, 1955, 1957а, 1966; Ryther, 1956; Edmondson, 1956; Ryther, Menzel, 1959; Steemann Nielsen, Hensen, 1959,1961, и др.). В частности, круглогодичные наблюдения в Черном море показали, что наибольшая интенсивность фотосинтеза фитопланктона совпадает с наибольшей солнечной радиацией. Летом максимальный фотосинтез фитопланктона наблюдается в период от И до 16 час. (Ланская, Сивков, 1949; Бессемянова, 1957). У разных планктонных видов максимальная интенсивность фотосинтеза имеет пределы изменений, свойственных тому или иному виду. При этом большое значение имеет широтное расположение акваторий (Doty, 1959 и др.).

Среди диатомей (как планктонных, так и бентосных) существуют светолюбивые и тенелюбивые виды, у которых различны интенсивность фотосинтеза и коэффициент использования солнечной энергии при одинаковой радиации. У светолюбивых видов, как Cerataulina bergonii (планктонная) и Navicula pennata var. pontica (сублиторальная), фотосинтез идет параллельно радиации и достигает максимума в полдень, а у тенелюбивых - Thalassionema nitzschioides (планктонная) и Nitzschia closterium (тихопелагическая) - днем наблюдается депрессия фотосинтеза, а максимум интенсивности этого процесса приходится на утренние и послеполуденные часы (Бессемянова, 1959). Такое же течение фотосинтеза наблюдается в культурах северных пелагических видов Coscinosira polychorda и Coscinodiscus excentricus (Marshall, Огг, 1928; Jenkin, 1937). У бентосных форм интенсивность фотосинтеза на единицу биомассы значительно больше, чем у планктонных (Бессемянова, 1959). Это вполне закономерно" потому что бентосные диатомеи имеют крупные, интенсивно окрашенные пигментами хлоропласты, т. е. общее количество фотосинтезирующих пигментов у них значительно больше. Наблюдения показали, что фотосинтез протекает активнее у подвижных форм, чем у неподвижных и заметно активизируется в период деления диатомей (Talling, 1955). Фотосинтез не прекращается и при лунном свете, но в этих условиях кислорода выделяется в 10-15 раз меньше, чем днем. В верхнем горизонте водной толщи ночной фотосинтез составляет только 7-8% от суточного (Ивлев, Мухаревская, 1940; Subrahmanyan, 1960).

С глубиной сила света резко падает. Измерение на различных глубинах в зал. Пьюджет-Саунд (сев.-вост. часть Тихого океана) с помощью фотоэлектрической камеры Кунца показало, что интенсивность освещения (у поверхности воды принимаемая за 100%) на глубине 10 м падает до 9.6%, на глубине 20 м равна 4%, а на 35 м - 2.4%, практически на этой глубине совсем темно (Grein, in: Feldmann, 1938; Gessner, 1955-1959, I). Параллельно падению освещения укорачивается световой день. В океане на широтах 30-40° при наибольшей прозрачности воды на глубине 20 м длина летнего дня около И час., на 30 м - 5 час., на 40 м - всего 5 мин.

С глубиной не только убывают интенсивность освещения и световой период, но изменяется также качество света вследствие неодинакового поглощения лучей солнечного спектра разной длины световых волн. В табл. 3 приведены изменения поглощения световых лучей и цвета сумеречного освещения на разных глубинах.

Эта таблица показывает, что поглощение света в воде моря обратно пропорционально длине световых волн, т. е. чем длиннее световые волны лучей спектра, тем быстрее они поглощаются водой. По мере поглощения световых лучей на соответственных глубинах изменяется цвет сумеречного освещения. То и другое лимитирует фотосинтез на глубинах. Убывание интенсивности различных лучей спектра на разных глубинах в море представлено в табл. 4.

Данные этой таблицы свидетельствуют, что некоторые морские бурые и красные водоросли еще могут вегетировать на глубине 75 м и, вероятно, глубже при условии очень высокой прозрачности воды. Как известно, прозрачность воды сильно варьирует не только в различных водоемах, но и в одном и том же водоеме. В пелагической области морей и океанов вода прозрачна до глубины от 40 до 160 м, а в морской сублиторали прозрачность воды падает до 20 м и ниже. Нижняя граница распространения водорослей определяется той интенсивностью света, при которой ассимиляция и дыхание взаимно уравновешиваются, т. е. когда достигается так называемая компенсационная точка (Marshall, Orr, 1928). Естественно, что компенсационная точка у водорослей зависит от прозрачности воды, от состава пигментов и ряда других факторов. В этом отношении имеются некоторые данные для морских водорослей-макрофитов, имеющих различные пигментные системы (Levring, 1966), но для диатомей таких сведений нет (табл. 5).

При равных условиях освещения компенсационная точка у водорослей разных отделов зависит от функции их пигментов. У синезеленых водорослей (имеющих пигменты: хлорофиллы а и b, β-каротин, кетокаротиноид, миксоксантофилл) компенсационная точка находится на глубине около 8 м, у зеленых (пигменты: хлорофиллы а и b, β-каротин, ксантофилл) - около 18 м, а у бурых и красных водорослей, имеющих кроме хлорофилла, каротина и ксантофилла дополнительные пигменты (у бурых фикоксантин, у красных - фикоэритрин и фикоциан), компенсационная точка опускается значительно ниже 30 м.

У некоторых видов диатомей сублиторали Черного моря компенсационная точка, по-видимому, может опускаться до глубины 35 м. Современная методика сбора сублиторальных диатомей не дает точного показателя условий обитания отдельных видов. На основании последних данных установлена общая закономерность расселения сублиторальных диатомей по глубинам. В условиях сублиторали Черного моря они обитают до глубины около 30 м (Прошкина-Лавренко, 1963а), в Средиземном море - до глубины 60 м (Aleem, 1951), что вполне естественно при прозрачности воды в этом море 60 м. Есть указания на обитание диатомей до 110 м (Smyth, 1955), до 200 м (Bougis, 1946) и до 7400 м (Wood, 1956), причем Вуд утверждает, что на этой глубине обнаружены живые диатомеи (обычно сублиторальные морские виды вместе с пресноводными!). Данные последних двух авторов недостоверны и требуют проверки.

Компенсационная точка у одного и того же вида диатомей непостоянна, она зависит от географической широты обитания вида, от сезона года, прозрачности воды и других факторов. Маршалл и Opp (Marshall, Orr, 1928) экспериментально установили, опуская культуру диатомей на раз-ные глубины в заливе (Лох Страйвен; Шотландия), что Coscinosira polychorda летом имеет компенсационную точку на глубине 20-30 м, а зимой близ поверхности воды. Подобные же результаты получены ими для Chaetoceros sp.

Бентосные диатомеи несомненно обладают хроматической адаптацией, этим объясняется способность многих из них обитать на некотором диапазоне глубин в условиях изменения спектрального света и его интенсивности; возможно, что они имеют различные расы (некоторые виды Amphora, Carrtpylodiscus, Diploneis, Navicula ). Экспериментально установлено, что процесс приспособления к интенсивности освещения происходит довольно быстро. Так, например, пресноводная неподвижная планктонная диатомея Cyclotella meneghiniana приспосабливается к освещению от 3 тыс. до 30 тыс. лк в течение 24 час., она способна выносить значительно большую интенсивность света - до 60 тыс. лк и даже до 100 тыс. лк (Jorgensen, 1964а, 1964b). Фотосинтетический аппарат подвижных сублиторальных видов (Tropidoneis, Nitzschia ) приспосабливается к условиям освещения на глубинах их обитания 1-3 м, где интенсивность света колеблется от 10 до 1% (Taylor, 1964). Вообще вопросу о хроматической адаптации у диатомовых водорослей посвящена большая литература (Talling, 1955, 1957а; Ryther, 1956; Ryther, Menzel, 1959; Steemann Nielsen, Hensen, 1959; Jørgensen, 1964a).

Планктонные диатомеи могут обитать значительно глубже сублиторальных, что связано преимущественно с большей прозрачностью воды в пелагиали. Известно, что в морях и океанах диатомовый планктон распространяется до глубины 100 м и более. В Черном море на глубине 75-100 м фитопланктон состоит из Thalassionema nitzschioides и нескольких видов Nitzschia , причем здесь они обитают в значительно большем количестве, чем в слое воды 0-50 м (Морозова-Водяницкая, 1948-1954). Многие виды Nitzschia , как известно, легко переходят от автотрофного питания к миксотрофному и гетеротрофному. По-видимому, этим же свойством обладают планктонные виды, обитающие в дисфотической и афотической зоне морей, они создают глубоководный теневой планктон. Впрочем, Стиман Нильсен и Хенсен (Steemann Nielsen, Hensen, 1959) рассматривают поверхностный фитопланктон как "световой" в условиях интенсивности радиации 600-1200 л к и как "теневой" в условиях низкой радиации: 200-450 лк. По мнению этих исследователей, зимний поверхностный фитопланктон в умеренном поясе является типичным "теневым". Однако зимний фитопланктон состоит из позднеосенних и ранневесенних видов, которые к "теневым" видам причислять нельзя. Следует признать, что проблема фитосинтеза у диатомовых водорослей пока находится на первоначальной стадии исследования, и по многим актуальным вопросам этой проблемы имеются только отрывочные и непроверенные данные.

Возможен только на земной поверхности и в верхней части моря, куда проникают солнечные лучи. Возможна ли геологическая деятельность организмов там, где нет света, в «вечном мраке»? Оказывается, возможна.

Уголь и нефть залегают местами на глубинах в сотни и тысячи метров. Они являются пищей для микроорганизмов, живущих в подземных водах. Поэтому везде, где в земной коре есть вода и органические вещества, энергично «работают» микроорганизмы. Хорошо известно, что невозможно без дыхания: организму необходим , с помощью которого органические вещества окисляются, превращаются в углекислый газ, воду и другие простые химические соединения. Выделяющуюся при этом энергию организмы используют для жизненных процессов.

Для того, чтобы питаться, микроорганизмам также необходим свободный кислород, который они частично поглощают из подземных вод, где этот газ находится в растворенном состоянии. Но кислорода в воде, как правило, не хватает, и тогда микроорганизмы начинают «отнимать» его у различных кислородных соединений. Напомним, что этот процесс в химии называется восстановлением. В природе он почти всегда обязан деятельности микроорганизмов, среди которых имеются живые существа различных «специальностей»: одни восстанавливают серу, другие - азот, третьи - железо и т. д.

Легче всего поддаются этому процессу сульфаты. В результате этой реакции в появляется сероводород. Восстанавливаются также соединения марганца, меди и других элементов. Окисляющийся углерод при этом обогащает воду углекислым газом. Так в результате деятельности микроорганизмов меняется химический состав подземных вод. Они теряют свободный кислород, расходуемый на окисление органических веществ, в них появляется много углекислого газа и других продуктов обмена веществ микроорганизмов - сероводорода, аммиака, метана.

Постепенно подземные воды приобретают высокую химическую активность и, в свою очередь, глубоко изменяют горные породы. Последние часто обесцвечиваются, их минералы разрушаются, возникают новые минералы. Таким путем могут образоваться новые горные породы, а местами и месторождения полезных ископаемых.

Нередко следы былой деятельности подземных вод и микроорганизмов отмечены появлением среди пород, окрашенных в красный цвет, сизых и зеленых пятен и полос. Это результат восстановления железа.

Общий эффект деятельности микроорганизмов колоссален. Известны случаи когда ими «съедены» целые нефтяные месторождения. Многие подземные воды, состав которых изменен деятельностью микроорганизмов, имеют важное лечебное значение. Там, где залегают подобные воды, строятся целебные водолечебницы, как, например, всемирно известная Мацеста на Черноморском побережье Кавказа.

Мировой океан покрывает более 70% поверхности Земли. Он содержит около 1,35 миллиарда кубических километров воды, что составляет около 97% всей воды на планете. Океан поддерживает всю жизнь на планете, а также делает ее синей, если посмотреть из космоса. Земля - ​​единственная планета в нашей солнечной системе, которая, как известно, содержит жидкую воду.

Хотя океан является одним сплошным водоемом, океанографы разделили его на четыре основные области: Тихоокеанскую, Атлантическую, Индийскую и Арктическую. Атлантический, Индийский и Тихий океаны объединяются в ледяные воды вокруг Антарктиды. Некоторые специалисты выделяют этот район, как пятый океан, чаще всего называемый Южным.

Чтобы понять жизнь океанов, вы должны сначала узнать ее определение. Фраза «морская жизнь» охватывает все организмы, живущие в соленой воде, которые включают широкое разнообразие растений, животных и микроорганизмов, таких как бактерии и .

Существует огромное разнообразие морских видов, которые варьируются от крошечных одноклеточных организмов до гигантских голубых китов. По мере того как ученые открывают новые виды, больше узнают о генетическом составе организмов и изучают ископаемые образцы, они решают, как группировать океаническую флору и фауну. Ниже приведен список основных типов или таксономических групп живых организмов в океанах:

  • (Annelida );
  • (Arthropoda );
  • (Chordata );
  • (Cnidaria );
  • Гребневики (Ctenophora );
  • (Echinodermata );
  • (Mollusca )
  • (Porifera ).

Есть также несколько типов морских растений. К самым распространенным относятся Chlorophyta , или зеленые водоросли, и Rhodophyta , или красные водоросли.

Адаптация морской жизни

С точки зрения наземного животного, подобного нам, океан может быть суровой средой. Однако морская жизнь приспособлена для жизни в океане. Характеристики, которые способствуют процветанию организмов в морской среде, включают способность регулировать потребление соли, органы для получения кислорода (например, жабры рыб), противостоять повышенному давлению воды, адаптация к недостатку света. Животные и растения, обитающие в приливной зоне имеют дело с экстремальными температурами, солнечным светом, ветром и волнами.

Существуют сотни тысяч видов морской жизни, от крошечного зоопланктона до гигантских китов. Классификация морских организмов очень изменчива. Каждый приспособлен к своей конкретной среде обитания. Все океанические организмы вынуждены взаимодействовать с несколькими факторами, которые не представляют проблем для жизни на суше:

  • Регулирующее потребление соли;
  • Получение кислорода;
  • Адаптация к давлению воды;
  • Волны и изменение температуры воды;
  • Получение достаточного количества света.

Ниже мы рассмотрим некоторые способы выживания морской флоры и фауны в этой окружающей среде, которая сильно отличается от нашей.

Солевая регуляция

Рыбы могут пить соленую воду и выводить избыток соли через жабры. Морские птицы также пьют морскую воду, а лишняя соль удаляется через «солевые железы» в носовую полость, а затем вытряхивается птицей. Киты не пьют соленую воду, а получают необходимую влагу их организмов, которыми они питаются.

Кислород

Рыба и другие организмы, которые живут под водой, могут получать кислород из воды либо через их жабры, либо через кожу.

Морские млекопитающие вынуждены всплывать на поверхность, чтобы дышать, поэтому у китов есть дыхательные отверстия сверху на голове, позволяющие вдыхать воздух из атмосферы, сохраняя большую часть тела под водой.

Киты способны оставаться под водой без дыхания в течение часа или более, так как очень эффективно используют свои легкие, наполняя до 90% объема легких с каждым вдохом, а также хранят необычно большое количество кислорода в крови и мышцах при погружении.

Температура

Многие животные океана являются хладнокровными (эктотермическими), и их внутренняя температура тела такая же, как и окружающая их среда. Исключением являются теплокровные (эндотермические) морские млекопитающие, которые должны поддерживать постоянную температуру своего тела независимо от температуры воды. Они имеют подкожный изолирующий слой, состоящий из жира и соединительной ткани. Этот слой подкожного жира позволяет им поддерживать свою внутреннюю температуру тела примерно такой же, как у наземных сородичей, даже в холодном океане. Изолирующий слой гренландского кита может достигать более 50 см в толщину.

Давление воды

В океанах давление воды увеличивается на 15 фунтов на квадратный дюйм каждые 10 метров. В то время как некоторые морские существа редко меняют глубину воды, далеко плавающие животные, такие как киты, морские черепахи и тюлени, за несколько дней путешествуют от мелководья до больших глубин. Как же они справляются с давлением?

Считается, что кашалот способен погружаться более чем на 2,5 км ниже поверхности океана. Одна из адаптаций заключаются в том, что легкие и грудная клетка сжимаются при погружениях на большие глубины.

Кожистая морская черепаха может погружаться более чем на 900 метров. Складные легкие и гибкая раковина помогают им выдерживать высокое давление воды.

Ветер и волны

Животные приливной зоны не нуждаются в адаптации к высокому давлению воды, но должны выдерживать сильное давление ветра и волн. Многие беспозвоночные и растения в этой обладают способностью цепляться за скалы или другие субстраты, а также имеют твердые защитные оболочки.

В то время как крупные пелагические виды, такие как киты и акулы, не подвержены воздействию шторма, их добыча может перемещать. Например, киты охотятся на копепод, которых может раскидать по разным отдаленным областям во время сильного ветра и волн.

Солнечный свет

Организмы, нуждающиеся в свете, такие как тропические коралловые рифы и связанные с ними водоросли, находятся в мелких, прозрачных водах легко пропускающих солнечный свет.

Так как подводная видимость и уровни освещенности могут меняться, киты не полагаются на зрение, чтобы найти пищу. Вместо этого они находят добычу, используя эхолокацию и слух.

В глубине океанской бездны, некоторые рыбы потеряли свои глаза или пигментацию, потому что они просто не нужны. Другие организмы являются биолюминесцентными, используя светоносные или свои собственные светопроизводящие органы, чтобы привлечь добычу.

Распределение жизни морей и океанов

От береговой линии до самого глубокого морского дна океан кишит жизнью. Сотни тысяч морских видов варьируются от микроскопических водорослей до , которое когда-либо жило на Земле, синего кита.

Океан имеет пять основных зон жизни, каждая с уникальными приспособлениями организмов к своей конкретной морской .

Эвфотическая зона

Эвфотическая зона является освещенным солнцем верхним слоем океана, приблизительно до 200 метров в глубину. Эвфотическая зона также известна как фотическая и может присутствовать как в озерах с морями, так и в океане.

Солнечный свет в фотической зоне позволяет осуществлять процесс фотосинтеза. - это процесс, посредством которого некоторые организмы преобразуют солнечную энергию и углекислый газ из атмосферы в питательные вещества (белки, жиры, углеводы и т.д.), и кислород. В океане фотосинтез осуществляется за счет растений и водорослей. Морские водоросли похожи на наземные растения: у них есть корни, стебли и листья.

Фитопланктон - микроскопические организмы, которые включают в себя растения, водоросли и бактерии, также обитают в эвфотической зоне. Миллиарды микроорганизмов образовывают огромные зеленые или синие пятна в океане, которые являются фундаментом океанов и морей. Благодаря фотосинтезу, фитопланктон ответственен за выработку почти половины кислорода, выброшенного в атмосферу Земли. Мелкие животные, такие как криль (тип креветок), рыбы и микроорганизмы, называемые зоопланктоном, все питаются фитопланктоном. В свою очередь, этих животных едят киты, крупная рыба, морские птицы и люди.

Мезопелагическая зона

Следующая зона, простирающаяся до глубины около 1000 метров, называется мезопелагической зоной. Эта зона также известна как сумеречная зона, так как свет в ее пределах очень тусклый. Отсутствие солнечного света означает, что в мезопелагической зоне практически нет растений, но крупные рыбы и киты ныряют туда, чтобы охотиться. Рыба в этой зоне мелкая и светящаяся.

Батипелагическая зона

Иногда животные из мезопелагической зоны (такие как кашалоты и кальмары) ныряют в батипелагическую зону, которая достигает глубины около 4000 метров. Батипелагическая зона также известна как полуночная зона, потому что свет не достигает ее.

Животные, обитающие в батипелагической зоне, небольшие, но у них часто бывают огромные рты, острые зубы и расширяющиеся желудки, которые позволяют им есть любую пищу, которая попадает в пасть. Большая часть этой пищи поступает из остатков растений и животных, спускающихся с верхних пелагических зон. У многих батипелагических животных нет глаз, потому что они не нужны в темноте. Поскольку давление настолько велико, что трудно найти питательные вещества. Рыбы в батипелагической зоне движутся медленно и имеют сильные жабры для извлечения кислорода из воды.

Абиссопелагическая зона

Вода на дне океана, в абиссопелагической зоне, очень соленая и холодная (2 градуса Цельсия или 35 градусов по Фаренгейту). На глубине до 6000 метров давление очень сильно - 11 000 фунтов на квадратный дюйм. Это делает невозможной жизнь для большинства животных. Фауна этой зоны, чтобы справиться с суровыми условиями экосистемы, выработала причудливые адаптивные особенности.

Многие животные этой зоны, включая кальмаров и рыб, являются биолюминесцентными, то есть производят свет через химические реакции в своих телах. Например, рыба удильщик имеет яркий отросток, расположенный перед его огромным зубастым ртом. Когда свет приманивает мелкую рыбешку, удильщик просто щелкает своими челюстями, чтобы съесть свою добычу.

Ультраабиссаль

Самая глубокая зона океана, найденная в разломах и каньонах, называется ультраабиссаль. Здесь живут немногие организмы, например, изоподы - тип ракообразных, родственный с крабами и креветками.

Такие как губки и морские огурцы, процветают в зонах абиссопелагия и ультраабиссаль. Как и многие морские звезды и медузы, эти животные почти полностью зависят от оседающих останков отмерших растений и животных, называемых морским детритом.

Однако не все донные обитатели зависят от морского детрита. В 1977 году океанографы обнаружили сообщество существ на дне океана, питающихся бактериями вокруг отверстий, называемых гидротермальными жерлами. Эти жерла отводят горячую воду, обогащенную минералами из недр Земли. Минералы питают уникальные бактерии, которые, в свою очередь, питают животных, таких как крабы, моллюски и трубчатые черви.

Угрозы для морской жизни

Несмотря на относительно малое представление об океане и его обитателях, человеческая деятельность нанесла этой хрупкой экосистеме колоссальный вред. Мы постоянно видим по телевидению и в газетах, что очередной морской вид оказался под угрозой исчезновения. Проблема может казаться удручающей, но есть надежда и много вещей, которые каждый из нас может сделать, чтобы спасти океан.

Угрозы представленные ниже не имеют какой-либо определенный порядок, поскольку в одних регионах они более актуальны, чем в других, а некоторые обитатели океанов сталкиваются с многочисленными угрозами:

  • Окисление океанов - если у вас когда-либо был аквариум, вы знаете, что правильный рН воды является важной частью поддержания здоровья ваших рыбок.
  • Изменение климата - мы постоянно слышим о глобальном потеплении, и не зря - оно негативно влияет, как на морскую, так и на наземную жизнь.
  • Перелов - это всемирная проблема, которая истощила множество важных промысловых видов рыбы.
  • Браконьерство и нелегальная торговля - несмотря на законы принятые для защиты морских обитателей, незаконный вылов процветает по сей день.
  • Сети - морские виды от мелких беспозвоночных до крупных китов могут запутаться и погибнуть в заброшенных рыболовных сетях.
  • Мусор и загрязнения - различные животные могут запутаться в мусоре, как и в сетях, а разливы нефти наносят огромный ущерб большинству морских обитателей.
  • Потеря среды обитания - по мере роста населения мира увеличивается антропогенная нагрузка на береговую линию, водно-болотные угодья, леса водорослей, мангровые заросли, пляжи, скалистые берега и коралловые рифы, которые служат домом для тысяч видов.
  • Инвазивные виды - виды введенные в новую экосистему способны нанести серьезный вред родным обитателям, так как из-за отсутствия естественных хищников у них может произойти демографический взрыв.
  • Морские суда - корабли могут нанести смертельные повреждения крупным морским млекопитающим, а также создают много шума, переносят на себе инвазивные виды, уничтожают якорями коралловые рифы, приводят к выбросу химических веществ в океан и атмосферу.
  • Океанский шум - в океане много естественных шумов являющихся неотъемлемой частью этой экосистемы, но искусственные шумы способны нарушить ритм жизни многих морских обитателей.

Температура Мирового океана существенно влияет на его биологическое разнообразие. Это означает, что деятельность человека может изменить глобальное распределение жизни в воде, что, по всей видимости, уже происходит с фитопланктоном, численность которого в среднем снижается на 1% в год.

Океанский фитопланктон - одноклеточные микроводоросли - представляют собой основу практически всех пищевых цепей и экосистем в океане. Половина всего фотосинтеза на Земле приходится на долю фитопланктона. Его состояние влияет на количество углекислого газа, которое может абсорбировать океан, на количество рыбы, и, в конечном счете, на благополучие миллионов людей.

Термин «биологическое разнообразие» означает вариабельность живых организмов из всех источников, включая среди прочего наземные, морские и иные водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это понятие включает в себя разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем.

Так гласит определение этого термина в Конвенции о биологическом разнообразии. Целями этого документа являются сохранение биологического разнообразия, устойчивое использование его компонентов и совместное получение на справедливой и равной основе выгод, связанных с использованием генетических ресурсов.

Ранее было проведено много исследований биологического разнообразия на суше. Знания же человека о распределении морской фауны существенно ограничены.

Но исследование под названием «Перепись морской жизни» (Census of Marine Life, о котором неоднократно писала «Газета.Ru»), продолжавшееся десятилетие, изменило ситуацию. Человек стал знать об океане больше. Его авторы свели воедино знания о глобальных тенденциях биологического разнообразия по основным группам морских жителей, в том числе кораллов, рыб, китов, тюленей, акул, мангровых лесов, морских водорослей и зоопланктона.

«Хотя мы все больше осознаем глобальные градиенты разнообразия и связанные с ними экологические факторы, наши знания о работе этих моделей в океане существенно отстают от того, что мы знаем про сушу, и настоящее исследование проводилось с целью ликвидировать это несоответствие» , – объяснил Вальтер Джетц из Йельского университета цель работы.

На основе полученных данных ученые сопоставили и проанализировали глобальные структуры биологического разнообразия более 11 тысяч морских видов растений и животных, начиная от крошечного планктона до акул и китов.

Исследователями было обнаружено поразительное сходство между закономерностями распределения животных видов и температурой воды в океане.

Эти результаты означают, что будущие изменения температуры океана могут значительно повлиять на распределение морской фауны.

Кроме того, ученые обнаружили, что положение «горячих точек» разнообразия морской жизни (областей, где в настоящий момент наблюдается большое количество редких видов, которым грозит вымирание: такими «точками», например, являются коралловые рифы) в основном приходится на районы, где зафиксирован высокий уровень воздействия человека. Примерами такого воздействия являются рыболовство, адаптация окружающей среды для своих нужд, антропогенное изменение климата и загрязнение окружающей среды. Вероятно, человечеству стоит задуматься о том, насколько эта деятельность укладывается в рамки Конвенции о биологическом разнообразии.

«Совокупный эффект деятельности человека ставит под угрозу разнообразие жизни в Мировом океане» , – утверждает Камило Мора из Университета Делхаузи, один из авторов работы.

По соседству с этой работой в Nature опубликована другая статья, посвященная проблемам морского биологического разнообразия на Земле. В ней канадские ученые рассказывают о современных колоссальных темпах снижения биомассы фитопланктона в последние годы. Используя архивные данные в совокупности с последними спутниковыми наблюдениями исследователи установили, что в результате потепления океана количество фитопланктона снижается в год на 1%.

У фитопланктона соотношение размера и численности то же, что и у млекопитающих

Фитопланктон – это часть планктона, которая проводит фотосинтез, прежде всего протококковые водоросли, диатомовые водоросли и цианобактерии. Фитопланктон имеет жизненно важное значение, поскольку на его долю приходится примерно половина продукции всего органического вещества на Земле и большая часть кислорода в нашей атмосфере. Помимо существенного сокращения кислорода в атмосфере Земли, что пока все-таки является делом долгосрочным, снижение численности фитопланктона грозит изменениями морских экосистем, что обязательно скажется на рыболовстве.

При изучении проб морского фитопланктона выяснилось, что чем больше размер клеток того или иного вида водорослей, тем ниже их численность. Удивительно, но это снижение численности происходит пропорционально массе клетки в степени –0,75 - точно такое же количественное соотношение этих величин ранее было описано для наземных млекопитающих. А значит, «правило энергетической эквивалентности» действует и для фитопланктона.

Фитопланктон распределен по океану неравномерно. Его количество зависит от температуры воды, освещенности и количества питательных веществ. Прохладные годы умеренных и полярных областей больше подходят для развития фитопланктона, чем теплые тропические воды. В тропической зоне открытого океана фитопланктон активно развивается только там, где проходят холодные течения. В Атлантике фитопланктон активно развивается в районе о-вов Зеленого Мыса (недалеко от Африки), там холодное Канарское течение образует круговорот.

В тропиках количество фитопланктона одинаково в течение года, тогда как в высоких широтах наблюдается обильное размножение диатомей весной и осенью и сильный спад в зимнее время. Наибольшая масса фитопланктона сосредоточена в хорошо освещенных поверхностных водах (до 50 м). Глубже 100 м, куда не проникает солнечный свет, фитопланктона почти нет так как там невозможен фотосинтез.

Азот и фосфор - главные питательные вещества, необходимые для развития фитопланктона. Они скоплены ниже 100 м, в зоне, недоступной фитопланктону. Если вода хорошо перемешивается, азот и фосфор регулярно доставляются к поверхности, питая фитопланктон. Теплые воды легче холодных и не опускаются на глубину - перемешивания не происходит. Поэтому в тропиках азот и фосфор не доставляются к поверхности, и скудость питательных веществ не дает развиться фитопланктону.

В полярных областях поверхностные воды охлаждаются и опускаются на глубину. Глубинные течения несут холодные воды к экватору. Натыкаясь на подводные хребты, глубинные воды поднимаются к поверхности и несут с собой минеральные вещества. В таких областях фитопланктона значительно больше. В тропических зонах открытого океана, над глубоководными равнинами (Северо-Американской и Бразильской котловинами), где не происходит подъема воды, фитопланктона совсем мало. Эти области - океанические пустыни, их обходят даже крупные мигрирующие животные, такие как киты или парусники.

Морской фитопланктон Trichodesmium является важнейшим азотфиксатором в тропических и субтропических районах Мирового океана. Эти крошечные фотосинтетические организмы используют солнечный свет, углекислый газ и другие нутриенты для синтеза органического вещества, которое составляет основу морской пищевой пирамиды. Азот, поступающий в верхние освещенные слои океана из глубинных слоев водной толщи и из атмосферы, служит необходимой подпиткой планктона.