Планктонные водоросли, как и бактерии, обитают везде, где есть подходящие условия

Различные диатомовые водоросли из Южного океана — районов близ Антарктики. Фото © Prof. Gordon T. Taylor, Stony Brook University, USA с сайта beyondpenguins.nsdl.org

«Всё есть везде, но среда отбирает» («everything is everywhere but the environment selects») — это правило, хорошо известное микробиологам, в значительной мере справедливо и по отношению к морским планктонным водорослям. К такому выводу пришли недавно исследователи на основе сравнительного анализа видового состава диатомовых водорослей из разных районов Мирового океана за последние 1,5 миллиона лет.

Когда мы говорим о географическом распределении животных и растений, то подразумеваем, что любой вид характеризуется определенной областью распространения — ареалом. Африканский слон обитает в Африке, а азиатский (индийский) в Юго-Восточной Азии. Разные виды страусов живут в Африке, Южной Америке и Австралии. Да и в пределах одного континента разные виды растений и животных имеют разные ареалы — у некоторых они весьма обширные, а у других — очень узкие.

Различные диатомовые. Фото с сайта www.micrographia.com

Однако когда мы переходим к организмам микроскопических размеров — к бактериям и простейшим, то установить границы областей их географического распространения оказывается уже очень непросто. Создается впечатление, что все виды микроорганизмов могут быть найдены везде или почти везде. К примеру, гнилостные бактерии, осуществляющие разложение органического вещества, встречаются повсеместно. Кусок мяса, оставленный вне холодильника, стухнет в любом месте. Но повсеместность распространения свойственна и очень специализированным бактериям. Так, если в каком-то водоеме в определенном слое присутствует в значительном количестве органическое вещество и сульфаты и при этом отсутствует кислород (анаэробные условия), то наверняка там проявят себя сульфатредуцирующие бактерии, которые будут получать необходимую для них энергию, восстанавливая сульфаты до сульфидов. Короче, если есть подходящий субстрат и есть подходящие условия, то бактерии, живущие за счет потребления этого субстрата, найдутся в любом месте.

Если от бактерий перейти к несколько более крупным существам — простейшим (одноклеточным эукариотам), то для них, в отличие от бактерий, порой можно выявить определенные ареалы распространения, хотя, как правило, они очень обширные. Во всяком случае, это справедливо в отношении организмов, живущих в океане (например, планктона), где нет барьеров между отдельными водными бассейнами. Но в какой степени распределение микроскопических планктонных водорослей по акватории Мирового океана определяется особенностями их расселения, а в какой — наличием в тех или иных районах подходящих для них условий? Попытку ответить на этот вопрос предприняли недавно Педро Серменьо и Поль Фальковски (Paul G. Falkowski) из Института морских и прибрежных исследований (Institute of Marine and Coastal Sciences) Университета Ратгерса в Нью-Джерси (США). Объектом их исследований были диатомовые водоросли — повсеместно встречающиеся мелкие организмы, имеющие изящный панцирь из кремнезёма. Детали строения этого панциря, хорошо видные под микроскопом (особенно сканирующим), позволяют специалистам довольно легко определить их до вида. Панцири диатомовых в большом количестве попадают в донные отложения, а анализ колонок грунта позволяет проследить за изменениями видового состава диатомовых за продолжительное время — за тысячи и даже миллионы лет.

Рис. 1. Палеогеографическая реконструкция раннего плейстоцена (примерно 1,8 млн лет тому назад). На карте показаны точками места бурения дна, откуда получены пробы, использованные в данной работе (разным цветом обозначены разные океаны). Стрелками показано направление основных поверхностных течений. Наиболее вероятные пути расселения водорослей: 1) между северными умеренными секторами Атлантики и Пацифики — через Индонезийский проход (Indonesian through-flow, ITF) и течение мыса Игольного (Aghulas current, AC); 2) между Северной Атлантикой и Южным океаном — непосредственно по Атлантическому океану; 3) путь по Южному океану непосредственно к Антарктиде — по Антарктическому циркумполярному течению (Antarctic circumpolar current, ACC). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Свой анализ Серменьо и Фалковски основывали на базе данных, включающих результаты глубоководного и прибрежного бурения дна в разных точках Северной Атлантики, Северной Пацифики (Тихого океана) и из разных секторов Южного океана, то есть океана, окружающего Антарктиду (рис. 1). Всего в распоряжении исследователей были сведения о 235 группировках диатомовых водорослей, в составе которых было 307 видов из 70 родов. Время образования осадков (и, соответственно, период времени, для которого удалось проследить за изменениями состава водорослей) охватывало 1,5 миллиона лет — с раннего плейстоцена до современности.

Рис. 2. Степень сходства сообществ диатомовых водорослей, обитавших в разное время в одном месте. Отдельные точки на графике соответствуют сходству проб из разных слоев донных отложений (разного времени существования их в планктоне). По абсциссе — разница во времени между пробами (в миллионах лет). По ординате — коэффициент сходства видового состава сообществ. Отдельные графики построены для трех станций в разных океанах: Северной Атлантике, Северной Пацифике и Южном океане. Во всех местах прослеживается одна и та же зависимость: чем дальше во времени отстоят друг от друга пробы (чем больше временной лаг), тем сильнее отличаются по видовому составу сообщества. Однако, в целом, изменения происходят медленно и они незначительны. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Чтобы для группировок видов из разных слоев проследить за тем, насколько сильно в одном месте меняется со временем видовой состав диатомовых, исследователи подсчитали величину коэффициента сходства (так называемый индекс Жаккара, широко используемый экологами для количественной оценки сходства разных сообществ). Оказалось, что с увеличением интервала времени между существовавшими группировками диатомовых их сходство постепенно снижалось (рис. 2). Время, необходимое для полной смены видов, согласно расчетам авторов, варьировало от 2 до 8 миллионов лет.

Рис. 3. Различия между сообществами диатомовых из разных районов Мирового океана. A — результаты многомерного анализа показывают, что сообщества из Северной Пацифики (Pac) и Атлантики (Atl) отличаются довольно слабо друг от друга, но сильно от сообществ Южного океана (SO). B — степень расхождения сообществ по видовому составу. Попарное сравнение Южного Океана и Пацифики (SO–Pac), Южного океана и Атлантики (SO–Atl), Атлантики и Пацифики (Atl–Pac) показывает, сколь значимо сообщества диатомовых Южного океана отличаются от сообществ Атлантического и Тихого океана в умеренных широтах Северного полушария. Кружочки, треугольники и крестики соответствуют разным интервалам времени, а именно от современности до 0,5 миллиона лет, от 0,5 до 1 миллиона лет, и от 1 до 1,5 миллионов лет. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Помимо этого исследователи сравнили видовой состав всех обследованных сообществ с помощью непараметрического многомерного анализа. Результаты этого анализа (рис. 3) выявили слабые отличия между сообществами диатомовых Северной Атлантики и Северной Пацифики, но сильные отличия их от сообществ Южного океана. Обсуждая причины такого распределения диатомовых, авторы указали на сходство условий в северных частях Атлантического и Тихого океанов (по крайней мере в течение последних 1,5 миллионов лет). В Южном же океане условия отличаются — воды более холодные, но богаче биогенными элементами. По-видимому, в Северном полушарии фитопланктон ограничен в основном нехваткой азота, а в Южном океане — нехваткой железа. Железо — крайне необходимый для фитопланктона элемент, но в океан он попадает только с пылью с континентов. Очевидно, этим объясняется и различие в ситуациях, которые складываются в Южном океаническом полушарии и в Северном континентальном.

Авторы приходят к выводу, что диатомовые водоросли способны к быстрому расселению по всему Мировому океану. Существующие же различия между сообществами (на самом деле не очень большие — много видов общих) определяются прежде всего различиями в условиях обитания. Таким образом, основные факторы, ограничивающие географическое распределение диатомовых водорослей в океане, в принципе отличаются от факторов, ограничивающих распространение животных и растений на материках.

Источник: Pedro Cermeño, Paul G. Falkowski. Controls on Diatom Biogeography in the Ocean (полный текст — PDF, 320 Кб) // Science. 2009. V. 325. P. 1539–1541.

Алексей Гиляров

Последние новости: Экология, Алексей Гиляров