Этот неизвестный океан. Как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах: читать начало книги онлайн

Рис. 32.Лов морских организмов донным тралом

Из-за трудностей изучения морские животные открывались и изучались людьми гораздо позже, чем те, которые представлены на суше. Ученые осознали все величайшее разнообразие морской жизни по сравнению с жизнью на суше только в XX веке. А все потому, что ловить живых существ в море очень сложно – гораздо сложнее, чем проводить физические или химические измерения морской воды, особенно на глубинах в сотни и тысячи метров. Если существа совсем маленькие, то их достают на поверхность вместе с пробами морской воды или донного грунта, то есть непосредственно в среде их обитания. Существ побольше ловят разными сетями в толще воды и на морском дне, фактически сгребая в одну большую сеть всех, кто попадается у нее на пути. В результате хрупкие организмы попадают на борт судна в переломанном виде, что очень затрудняет их исследование. Более того, существа, обитающие на больших глубинах, имеют высокое внутреннее давление, чтобы компенсировать давление воды. При попадании на поверхность давление окружающей среды резко падает, и многих глубоководных обитателей раздувает и разрывает изнутри.

Сифонофоры – один из ярких примеров хрупких организмов, которые в большом количестве присутствуют в океане, но вплоть до недавнего времени ускользали от внимания исследователей. Отдельные части сифонофор в течение многих лет извлекали из сетей и изучали морские биологи, но не представляли, что все эти части составляют единый организм. Сифонофоры – это тонкие нити длиной в десятки метров, однако при попадании в сети и потом на борт судна сифонофоры разрываются на бесформенные желеобразные фрагменты. Только подводная видеосъемка дала возможность зафиксировать существование многих из них и исследовать поведение этих тонких длинных колониальных существ. Недавно была зафиксирована сифонофора длиной 116 метров, что делает ее самым длинным морским обитателем, длиннее самых больших китов.

Рис. 33.Сифонофора

Киты, одни из самых известных обитателей океана, тоже изучены очень плохо. Чтобы исследовать внутреннее строение кита, необходимо провести его вскрытие. Однако кита сложно поймать и вытащить на борт почти любого научного судна: он слишком велик для этого. Более того, в последние десятилетия ловля китов практически полностью запрещена. В годы активного китобойного промысла во второй половине XIX и вплоть до середины XX века биологи лишь эпизодически попадали на китобойные суда. Так историческая возможность исследовать китов для науки была упущена. Современные исследования физиологии китов опираются на изучение редких трупов, которые находят на берегу моря. В большинстве случаев эти трупы успевают разложиться и становятся непригодными для изучения. Так, редкий вид зубатых китов, южноамериканский ремнезуб, обитающий в Тихом океане, остается практически неизученным, потому что за всю историю учеными было найдено и исследовано всего шесть особей этого вида.

Рис. 34.Планктон, нейстон, нектон и бентос

В последние десятилетия возможности морской биологии существенно увеличились благодаря возможности секвенирования, то есть прочтения последовательности ДНК и РНК. Теперь ученые могут отличать два вида-близнеца, которые выглядят одинаково, но могут принадлежать к совершенно разным биологическим видам. С помощью расшифровки генома можно изучать физиологические возможности организма, определять живое существо по кусочку его щупальца или состав целого сообщества всего по одной пробе. Наконец, прочитав ДНК, выделенные просто из пробы морской воды, можно узнать, кто недавно проплывал в этом месте в океане. Секвенировать можно и донные осадки: и морское дно оказалось очень богатым на жизнь, причем не только в верхнем слое. Множество новых видов бактерий, архей и грибов были обнаружены живущими вплоть до глубин в тысячи метров ниже морского дна.

Травоядные и хищники

Несмотря на огромное разнообразие морских животных, их можно разделить на две основные группы в зависимости от места их обитания в океане. В толще и на поверхности воды живут пелагические организмы. Бентос – совокупность организмов, которые живут на морском дне. Среди пелагических организмов выделяют планктон, плейстон и нектон. Планктоном называются существа небольшого размера, которые лишь в небольшой степени двигаются сами, а в основном пассивно висят в воде и переносятся морскими течениями. Несмотря на свою пассивность, многие виды планктона все же могут влиять на свое перемещение в пространстве, в частности подниматься и опускаться на десятки и сотни метров в поисках оптимальных условий для существования. Нейстон состоит из существ, которые малоподвижны и живут на границе между водой и атмосферой. Нектоном называют существ, которые достаточно хорошо двигаются самостоятельно. Самые известные представители нектона – это рыбы, киты и дельфины. На границе воды, воздуха и суши живут обитатели литорали, то есть приливно-отливной зоны, которая периодически покрывается морской водой. Литораль – очень сложная зона для обитания, ведь в ней то мокро и темно, то сухо и светло, поэтому нужно спасаться от высыхания, перепадов температуры и солености, а также воздействия солнечных лучей.

У морских существ часто бывают очень сложные жизненные циклы, один организм на разных стадиях своего развития может побывать планктоном, нейстоном и бентосом. Многие сидячие бентосные организмы имеют планктонные личинки, которые разносятся течениями от места своего появления на свет и, таким образом, хорошо расселяются. Со временем личинки вырастают во взрослых особей и начинают вести стандартный для них образ жизни уже на новом месте. У крабов, классических представителей бентоса, планктонные личинки зоэа парят в толще воды и больше похожи на креветок, и только потом трансформируются в следующую стадию, мегалопу, которая оседает на дно моря и становится взрослым крабом. Особенно важно иметь планктонные формы личинок для организмов, взрослые особи которых могут жить только в очень специфических условиях. Погонофоры, живущие на метановых сипах, участках морского дна, где высачивается метан, или черви-костоеды, которые заводятся в костях трупов млекопитающих, упавших на дно моря, не могут жить за пределами своих изолированных мест обитания. Зато их планктонные личинки могут эти места покинуть, переместиться на очень большие расстояния, найти себе подходящее место и заселить новые метановые сипы или новые трупы на дне.

Рис. 35.Жизненный цикл медуз

Некоторые морские жители делают ровно наоборот: личинки у них растут неподвижно на дне, а взрослые особи плавают в толще воды. Так, например, происходит у медуз. Планулы, личинки медуз, падают вниз на дно и прикрепляются к нему, перерождаясь в новую форму, сцифистому. После того как сцифистома достаточно вырастет и сложатся благоприятные условия для следующего этапа, происходит стробиляция, а именно, от сцифистомы отпочковывается эфира, плавающая в толще воды и уже похожая на взрослую медузу, в которую эфира со временем и вырастает.

Если рассмотреть весь Мировой океан – от литорали до морских глубин, – оказывается, что в океане очень важна вертикальная зональность, потому что наверху тепло и светло, а внизу темно и холодно. Самые благоприятные условия находятся в эуфотической зоне, верхнем слое океана, куда поступает много солнечной энергии. Толщина эуфотической зоны варьирует от нескольких метров в мутных прибрежных водах до сотен метров в прозрачном океане. Планктон в этой зоне фотосинтезирует, то есть поглощает солнечную энергию и строит свои тела из углекислого газа, и воды и различных биогенных веществ, растворенных в морской воде. В тех местах, где есть избыток биогенных веществ, формируются области повышенной биологической продуктивности. Таким образом, фитопланктон – это аналог растений на суше. На суше травоядные животные питаются растениями, а в океане фитопланктон поедается зоопланктоном. Зоопланктон в свою очередь едят рыбы, птицы и млекопитающие; так в океане выстраивается пищевая цепочка из «растений», «травоядных» и «хищников».

Океан: жабры планеты

Фитопланктон играет огромную роль в производстве кислорода: в Мировом океане производится примерно половина атмосферного кислорода Земли. Вторая половина выделяется наземными растениями. И фитопланктон, и наземные растения не только производят кислород в процессе фотосинтеза, но и активно его потребляют в процессе клеточного дыхания, чтобы получать энергию в темноте и обеспечивать свою жизнедеятельность. Более того, после смерти растения обычно остаются лежать на поверхности земли и разлагаются. На это тоже расходуется кислород, ранее ими же и произведенный. Выходит, что наземные растения, хотя и производят половину кислорода на Земле, почти все произведенное потом снова поглощают.

Совсем по-другому устроен процесс в океане. В отличие от наземных растений, значительная доля фитопланктона оседает на дно океана, где неорганические покровы фитопланктонных водорослей становятся осадочными породами. На больших глубинах на морском дне кислорода мало, поэтому если органика разлагается, то в основном анаэробным образом, то есть без участия кислорода. Поэтому целых 40% кислорода, вырабатываемого фитопланктоном, в итоге поступает в атмосферу.

Когда на Земле зародилась жизнь, кислорода в атмосфере практически не было. Первый миллиард лет своего существования живые существа не разлагали углекислый газ и не производили кислород, так как в достатке были более простые для разложения сероводород, аммиак и метан. Потом появился оксигенный фотосинтез, то есть фотосинтез, приводящий к выделению кислорода. Живые существа стали активно выделять кислород, но он сразу поглощался океаном и горными породами на суше и морском дне. Только через 1,5 миллиарда лет после появления оксигенного фотосинтеза все доступные горные породы на суше и морском дне оказались окислены и кислород начал быстро накапливаться в атмосфере.

Рис. 36.Как менялась концентрация кислорода в атмосфере

Кислород в атмосфере произвел полный переворот, кислородную катастрофу! Живые организмы, не приспособленные к жизни в кислородных условиях, практически полностью вымерли. Кислород в атмосфере сформировал озоновый слой, поглощающий наиболее жесткую часть солнечного ультрафиолетового излучения. Защитный озоновый экран позволил сложным формам жизни выйти из моря и свободно функционировать на суше.

Появление кислорода в атмосфере изменило ее химический состав: до этого в ней было высокое содержание метана, а с появлением кислорода большая его часть разложилась на углекислый газ и воду. Метан имеет в несколько десятков раз более сильный парниковый эффект, чем углекислый газ, поэтому с исчезновением метана началось глобальное похолодание, Гуронское оледенение, которое продолжалось 300 миллионов лет. Земля тогда почти полностью покрылась льдом – от полюсов до тропиков. Вот так морские фотосинтезирующие существа заморозили планету, настроили под свои нужды океан и атмосферу, заморили старых жителей Земли и заняли их место.

Рис. 37.Космический снимок скопления кокколитофорид в Баренцевом море

Роль фитопланктона очень важна и в цикле углерода, которому в последние десятилетия уделяется повышенное внимание из-за глобального потепления. При строительстве своего тела фитопланктон переводит углерод из растворенной формы в твердую: не только в смысле органического вещества, но и в самом прямом смысле – тела большинства планктонных водорослей имеют твердые оболочки, состоящие из силикатов, карбонатов или органических полимеров типа целлюлозы. Одноклеточные водоросли кокколитофориды, которые строят карбонатный панцирь, – главные фиксаторы СО2 в океане. Они играют колоссальную роль в круговороте углерода и в климатических процессах. Скопления кокколитофорид в поверхностном слое моря могут занимать огромные площади в десятки и сотни тысяч квадратных километров, так что их даже видно из космоса. Оседание твердых скелетов планктона на морское дно в течение тысяч и миллионов лет формирует осадочные породы мощностью в десятки километров.

Морские фотосинтезирующие организмы имеют очень разное происхождение, которое эволюционно сильно отличается от наземных растений. Вообще фотосинтезировать могут представители самых разных царств живых организмов. Когда-то, 2,5 миллиарда лет назад, цианобактерии научились совершать оксигенный фотосинтез, то есть не только получать энергию света, но и выделять кислород. Независимо от этого примерно 2 миллиарда лет назад произошел эндосимбиоз: одна бактерия съела другую, но не переварила, а оставила ее как хранилище ДНК и стала эукариотом. Еще через миллиард лет произошел еще один эндосимбиоз: эукариот съел цианобактерию и стал фотосинтезировать. Эволюция фотосинтетического аппарата, появившегося таким образом у эукариотов, стала развиваться эффективнее, чем у цианобактерий, первичного носителя этой способности. Дальше последовательность событий становится гораздо сложнее.