Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги


Д. Вибе
Телескопы с жидкими линзами: как это работает


А. Паевский
Ближайший космос. Быстрее. Лучше. Дешевле


Р. Фишман
Прионы: смертоносные молекулы-зомби


Д. Мамонтов
Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса?


Р. Эспарза, Р. Фишман
Марс: научный гид







Главная / Новости науки версия для печати

Удобряя поверхностные воды океана, киты поддерживают высокую продукцию фитопланктона


Рис. 1. Слева: схема классического «биологического насоса», перемещающего азот (и другие элементы) сверху вниз. Справа: «китовый насос», работающий в противоположном направлении — перемещающий азот (и другие биогенные элементы) снизу вверх. Рисунок из обсуждаемой статьи в PLos ONE
Рис. 1. Слева: схема классического «биологического насоса», перемещающего азот (и другие элементы) сверху вниз. В верхних освещенных слоях возможен частичный рециклинг биогенных элементов — возврат их в среду в минеральной форме после разложения органического вещества (показано как NH4 и круговой стрелкой), но часть органического вещества переносится вниз мигрирующими планктонными животными и рыбами, а также опускающимися фекальными пеллетами. Справа: «китовый насос», работающий в противоположном направлении — перемещающий азот (и другие биогенные элементы) снизу вверх. Кормятся киты на глубине, но быстро поднимаются к поверхности, где проводят значительно больше времени и где остаются их фекалии и моча. Рисунок из обсуждаемой статьи в PLos ONE

Киты, ныряющие для добывания пищи — планктонных ракообразных и мелких рыб — на глубину около 100 м, но проводящие большую часть времени у поверхности и оставляющие там свои фекалии и продукты выделения, работают как своеобразный «насос», доставляя наверх, в зону обитания фитопланктона, дефицитные элементы минерального питания, прежде всего азот. Значение подобного «китового насоса» было особенно велико в прошлом, до начала коммерческой добычи китов.

Богатство жизни всего океана зависит от первичной продукции — органического вещества, которое образуется в процессе фотосинтеза, осуществляемого микроскопическими водорослями и цианобактериями (фитопланктоном), обитающими в поверхностном, хорошо освещенном слое водной толщи. Однако на большей части акватории Мирового океана продукция фитопланктона крайне низка. Причина этого — острая нехватка биогенных элементов (элементов минерального питания), прежде всего азота и фосфора, в доступной для использования форме. В большем или меньшем количестве биогенные элементы всегда имеются в глубинных слоях и у дна, но океан плохо перемешивается, и поэтому у поверхности (где светло и, соответственно, может происходить фотосинтез) они практически полностью поглощаются фитопланктоном.

Поскольку фитопланктон поедается планктонными животными, а те, в свою очередь, рыбами, биогенные элементы, входящие в состав их тел, а следовательно, в состав продуктов выделения и фекалий, постепенно перемещаются из поверхностных слоев в глубины океана. Происходит это за счет вертикальных миграций зоопланктона и рыб, а также опускания под действием силы тяжести отмерших тел организмов и тяжелых фекальных пеллет (фекалий, плотно упакованных в оболочку) веслоногих ракообразных. Подобный способ перемещения органического вещества от поверхности океана вглубь с помощью организмов называют «биологическим насосом» (см. Biological pump). Есть еще «физико-химический насос»: поток охлажденной — и поэтому потяжелевшей — воды опускается вниз; но подобное опускание водных масс, «даунвеллинг», наблюдается только в очень немногих местах в океане.

К «биологическому насосу» сейчас приковано особое внимание исследователей в связи с проблемой связывания океаном углекислого газа (СО2). Содержание этого важнейшего парникового газа в атмосфере растет угрожающе быстро. Океан может поглотить больше СО2 только в том случае, если связанный в органическом веществе углерод будет изыматься из поверхностных слоев и переноситься вглубь.

Для дальнейшего прироста массы фитопланктона необходимо поступление дополнительного количества биогенных элементов извне — с суши или из глубинных слоев водной толщи. Районы, где наблюдается интенсивный подъем глубинных вод, апвеллинг, всегда отличаются высокой биомассой планктона и обилием рыб. Неудивительно, что в этих местах часто откармливаются морские млекопитающие (ластоногие и китообразные), а также птицы.

Поскольку основные кормовые объекты китов (имеются в виду усатые киты, отфильтровывающие свою добычу) — крупные планктонные ракообразные и мелкие рыбы, образующие скопления на глубине (100 м и глубже), то для добывания пищи киты вынуждены нырять. Однако пребывать на глубине долгое время киты не могут. Чтобы отдышаться (дышат-то они воздухом), китам приходится подниматься к поверхности. Здесь, в поверхностных водах, они переваривают добычу, здесь же остаются их фекалии и продукты выделения.

Возникает вопрос: а не могут ли киты выполнять роль лифта, доставляющего с глубины на поверхность столь нужные фитопланктону биогенные элементы. Нет ли своего рода «китового насоса», работающего в направлении, обратном тому, в котором действует классический «биологический насос»?

Да, есть, отвечают доктор Джо Роман (Joe Roman) из Гундского института экологической экономики Вермонтского университета и профессор Джеймс Маккарти (James J. McCarthy) из Лаборатории биологической океанографии Гарвардского университета. В статье, опубликованной в журнале PLoS One (полностью открытом для всех), они приводят результаты своих исследований в заливе Мэн (Северо-Западная Атлантика, к югу от полуострова Новая Шотландия). Именно здесь регулярно откармливаются несколько видов китов, в частности горбач (Megaptera novaeangliae), североатлантический гладкий кит (Eubalaena glacialis) и финвал (Balaenoptera physalus).

Рис. 2. Кит горбач, выпрыгивающий из воды. Снимок сделан студенткой биологического факультета МГУ Марией Шевченко около острова Беринга (Командорские острова), где киты активно откармливаются. Воспроизводится с любезного согласия автора
Рис. 2. Кит горбач, выпрыгивающий из воды. Снимок сделан студенткой биологического факультета МГУ Марией Шевченко около острова Беринга (Командорские острова), где киты активно откармливаются. Воспроизводится с любезного согласия автора

Горбачи в большом количестве поедают мелких рыб песчанок (Ammodytes sp.), днем зарывающихся в песок, а ночью ведущих активный образ жизни в нижних слоях водной толщи — на глубине более 100 м. Североатлантический гладкий кит питается в основном веслоногими ракообразными, которые в это время года пребывают в состоянии диапаузы и держатся на глубине около 110–130 м. Там они образуют большие скопления, которые и привлекают кормящихся китов. Финвал также добывает пищу (рачков эуфазиид и другие мелких беспозвоночных) на глубине более 100 м. После отфильтровывания добычи на глубине, киты поднимаются к поверхности, где и проводят большую часть времени.

Предположения о том, что продукты дефекации и выделения китов, остающиеся в поверхностных водах, могут служить хорошим удобрением для фитопланктона, высказывались не раз, но они не были подтверждены количественными данными. Этот пробел и восполнили авторы обсуждаемой работы. Они собирали плавающие у поверхности фекалии китов и брали пробы из так называемого «фекального шлейфа» (fecal plume) — воды, в которой взвешены фекальные частицы. Проведенный сразу же химический анализ этих проб выявил необычайно высокое содержание в них аммонийного азота (NH4+) — от 0,4 до 55,5 микромолей на килограмм воды. В то же время в пробах воды, взятых вне «фекального шлейфа», содержание аммонийного азота было крайне низким — не более 0,1 микромоля на 1 кг воды (на грани аналитического обнаружения).

Рис. 3. Исследователи в заливе Мэн. В руках одного из авторов обсуждаемой работы, Джо Романа, банка с фекалиями кита. Фото: © Jeremy Winn с сайта uvm.edu
Рис. 3. Исследователи в заливе Мэн. В руках одного из авторов обсуждаемой работы, Джо Романа, банка с фекалиями кита. Фото: © Jeremy Winn с сайта uvm.edu

Поскольку предыдущие исследования показали, что первичная продукция фитопланктона в поверхностных водах залива Мэн ограничена прежде всего нехваткой азота, встал вопрос о том каково соотношение разных источников поступления этого дефицитного элемента в воды залива. Авторы обсуждаемой работы, зная численность китов, откармливающихся в заливе Мэн, и зависимость интенсивности процесса выделения от массы тела, рассчитали вклад всех китообразных, а также ластоногих.

Выяснилось, что суммарно все морские млекопитающие за год добавляют в поверхностные воды залива около 2,3 × 104 тонн азота. Это больше, чем приносят впадающие в залив реки, и примерно столько же, сколько попадает из «точечных береговых источников» (поселков, ферм и т. п.).

Если взять все источники (см. диаграмму), то получается, что наибольшее количество азота поступает в настоящее время с атмосферными осадками.

В атмосферных осадках азот оказывается из-за хозяйственной деятельности человека, а именно — сжигания ископаемого топлива. Поскольку сжигание происходит не в кислороде, а в воздухе, на 80% состоящем из азота, то при очень высокой температуре разрушается прочная тройная связь в молекуле N2 и образуются оксиды азота, которые, взаимодействуя потом с водяными парами, дают азотную кислоту — важный компонент кислотных дождей (см.: Acid rain).

Однако, ситуация была иной в доиндустриальный период, когда в атмосферу еще не выбрасывались в большом количестве оксиды азота, а численность китообразных была существенно выше, поскольку не начался еще их коммерческий промысел. Роман и Маккарти провели соответствующие расчеты и показали, что поступление в поверхностные воды азота из атмосферы тогда было существенно меньше, а из нижних слоев водной толщи — существенно больше (за счет переноса китами — «китового насоса»). Поскольку разные исследователи по-разному оценивают численность китов до начала их коммерческой добычи, в работе приведены три рассчитанные величины, соответствующие низкой, средней и высокой оценкам численности.

Рис. 4. Соотношение вкладов разных источников поступления азота в воды залива Мэн в настоящее время (a) и в доиндустриальную эру (b). Рис. из обсуждаемой статьи в PLos ONE
Рис. 4. Соотношение вкладов разных источников поступления азота в воды залива Мэн в настоящее время (a) и в доиндустриальную эру (b). Столбики диаграмм (слева направо): Реки — Точечные источники на берегу (поселки, фермы и т. п.) — Атмосфера — Киты.
a) Современная ситуация. Больше всего азота поступает с атмосферными осадками, причем значительная часть азотистых соединений — антропогенного происхождения (результат сжигания ископаемого топлива).
b) Ситуация до индустриальной революции и начала массового истребления китов. (Три столбика справа соответствуют разным оценкам численности китов: низкой, средней и высокой). При сравнении с верхним рисунком видно: отсутствие точечных береговых источников, гораздо меньший вклад поступления из атмосферы и гораздо больший вклад китов. Рис. из обсуждаемой статьи в PLos ONE

Из приведенной диаграммы видно, что даже при самой низкой оценке вклад китов в снабжение азотом поверхностных вод был больше современного и был больше всех остальных источников. Если же принять среднюю и тем более высокую оценку прошлой численности китов, значение «китового насоса» в снабжении азотом поверхностных вод будет еще больше.

При обсуждении той роли, которую играли китообразные в поддержании первичной продукции океана, авторы ссылаются на опубликованные недавно данные о том, что на большей части акватории Мирового океана в последнее время значительно уменьшилась биомасса фитопланктона (см.: В Мировом океане становится всё меньше фитопланктона). Причину этого обычно видят в повышении температуры воды у поверхности, что затрудняет вертикальное перемешивание, а соответственно, и поступление биогенных элементов из нижележащих слоев. Однако нельзя не учитывать и то, что в настоящее время очень ослаблен «китовый насос», поставляющий биогенные элементы к поверхности, где развивается фитопланктон. Океан, в котором обитало множество китов, в определенных аспектах существенно отличался от современного.

Источник: Joe Roman, James J. McCarthy. The whale pump: marine mammals enhance primary productivity in a coastal basin // PLoS ONE. 2010. V. 5(10): e13255 (вся статья в свободном доступе).

См. также:
Whale poop pumps up ocean health (есть видео) — пресс-релиз Вермонтского университета.

Алексей Гиляров


Комментировать



Последние новости: ЭкологияАлексей Гиляров

16.06
В Старом и Новом Свете птицы сходно реагируют на глобальное потепление
26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида
4.05
Рост концентрации CO2 в атмосфере способствует увеличению растительного покрова
24.02
Борнео — центр эндемизма птиц современной Индонезии
22.01
Дельфины помогают олушам ловить сардин
11.01
Голоценовые биосообщества изменились после расселения человека по Земле
26.11
Коммуны миролюбивых пауков погибают быстрее, чем агрессивных
12.09
Перевылов трески привел к увеличению разнообразия рыб
2.09
Бурые водоросли не подтверждают экологическую гипотезу чередования гаплоидной и диплоидной стадий
3.08
Новый сорт риса поможет уменьшить выбросы парниковых газов

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия