В понедельник 15 сентября в Библиотеке-читальне имени И.С. Тургенева начался новый, уже одиннадцатый, сезон публичных лекций «Полит.ру». Первую лекцию в новом сезоне прочитал кандидат биологических наук, доцент, ученый секретарь Института биофизики СО РАН (Красноярск) Егор Сергеевич Задереев. Своей лекции он дал название «Быть планктоном это круто или законы экологии».
Главных героев рассказа Егора Задереева вы можете встретить, если летним днем подойдете к небольшому пруду. Может случиться, что вы увидите небольшой участок воды, окрашенный в темно-красный цвет. Зачерпнув оттуда воду ведром, вы разглядите, что это красное пятно образовано плавающими в воде существами. Воспользовавшись микроскопом, можно разглядеть их подробнее. Это представители рода дафния (Daphnia), относящего к ветвистоусым ракообразным (отряд Cladocera). Крупные скопления, которые можно заметить с берега, они образуют не всегда, но в любом случае это частые жители пресных водоемов.
Длина тела даже у самых крупных видов дафний не превышает нескольких миллиметров. Под микроскопом мы увидим единственный фасеточный глаз дафнии, ее усики-антенны: первую пару с обонятельными щетинками и вторую – длинную и разветвленную. Взмахивая второй парой антенн, дафния движется в воде. Небольшие грудные ножки служат для фильтрования воды, из которой дафния добывает себе пищу – одноклеточные водоросли. У дафний есть сердце, которое заставляет циркулировать в полостях ее тела кровь. Кровь дафнии содержит гемоглобин, как и у нас. Именно он придает дафниям их красный цвет.
Конечно, исследования Егора Задереева охватывают и многие другие планктонные организмы, но о дафниях он упоминал с особенной любовью. Он рассказал, например, о непривычном для нас цикле размножения дафний.
Те дафнии, которых вы ведром или сачком зачерпнули летом с водой из пруда, скорее всего, окажутся поголовно самками. Дафнии-самки будут все лето размножаться партеногенетически, без оплодотворения, и рожать новых самок. Однако осенью среди потомства начинают появляться и самцы.
Дело в том, что пол у появляющихся на свет дафний не определяется строго набором хромосом, а зависит от внешних условий. Когда все нормально, дафнии-самки предаются партеногенетическому размножению. Если же в среде обитания происходят определенные изменения, из партеногенетических яиц появляются самцы. Эти изменения могут быть разными: понижается температура воды, укорачивается световой день, становится мало пищи, появляются питающиеся дафниями хищники, в водоеме оказывается слишком много дафний. Самцы нужны дафниям, чтобы пережить все эти трудности.
После того, как самцы оплодотворят самок, те откладывают особые яйца, которые называют зимними, или покоящимися яйцами. У них значительно более плотная оболочка, чем у летних партеногенетических яиц. Поэтому покоящиеся яйца переживут и замораживание зимой, и высыхание пруда в летнюю жару. На лапках водоплавающих птиц или просто под действием ветра она могут перенестись в другой водоем. Вы можете положить покоящиеся яйца дафний в ящик стола, достать через несколько лет и бросить в воду – и из них выведутся молодые дафнии. Егор Задереев рассказал об экспериментах, в которых покоящиеся яйца дафний размещали на внешней оболочки МКС, подвергая в открытом космосе особо низким температурам и действию радиации, и после возвращения на Землю определенная доля яиц оказывалась жизнеспособной. Вылупляются из покоящихся яиц дафнии-самки, которые снова начинают партеногенетическое размножение.
Описанные лектором способности дафний и других планктонных организмов весьма впечатляют. Родственник дафнии – морской планктонный организм из подкласса веслоногих (Copepoda), длиной всего около миллиметра, был в исследовании 2010 года назван сильнейшим животным на Земле. Взмахивая своими конечностями, он может совершать прыжки в воде, развивая на короткое время скорость до полуметра в секунду.
Самая массовая миграция животных тоже совершается мелкими планктонными организмами. В морях и океанах планктон каждые сутки днем опускается на глубину, чтобы не стать добычей рыб, а ночью поднимается к поверхностным водам, где легче найти пищу. Эта ежедневная миграция на расстояние от 10 до 500 метров по вертикали охватывает планктон, общая масса которого составляет, по примерной оценке, до 200 млн. тонн. Наконец, и по числу генов маленькая дафния превосходит человека. Если у человека около 20 тысяч генов, то геном дафнии составляет примерно 31 тысячу генов.
Но Егор Задереев и его коллеги из красноярского Института биофизики не только изучают жизнь планктона в его естественной среде, но также проводят эксперименты с ним в лаборатории. Дело в том, что подобно тому, как муха дрозофила стала модельным организмом для генетики, в экологии водных сообществ такую роль играют планктонные рачки, те же дафнии.
На судьбе популяции дафний в лабораторных аквариумах можно проиллюстрировать многие законы, сформулированные экологами. Если мы посадим в сосуд дафнию и будем обеспечивать ее пищей в неограниченном количестве, она принесет потомство (партеногенетически), это потомство тоже принесет потомство и так далее, в результате численность популяции будет расти экспоненциально. Закон экспоненциального роста популяций сформулировал еще Томас Мальтус в конце XVIII века. Однако в реальности экспоненциальный рост популяций любых видов быстро останавливается, ведь им многочисленному потомству на очередном этапе просто не хватит еду, и тогда все особи погибнут от голода. Поэтому численность организмов определяется емкостью среды. В случае с дафниями в лабораторном аквариуме емкость среды – это то количество дафний, которых могут «прокормить» живущие в аквариуме одноклеточные водоросли. Когда популяция подходит к этому ограничению, включаются механизмы стабилизации численности. Они бывают разными (внутривидовая агрессия, территориальность). У дафний, как мы помним, при большом числе особей своего вида вокруг и малом количестве пищи появляются самцы и покоящиеся яйца, которые переживут возможный голод.
Еще один пример из математической экологии, который хорошо иллюстрируется с помощью дафний в аквариуме, это система «хищник – жертва». Поведение этой системы описали независимо друг от друга в 1920-х годах американец Альфред Джеймс Лотка и итальянец Вито Вольтерра. Чаще всего, говоря о соотношении хищника и жертвы, приводят в пример лисиц и зайцев (их к тому же легко проиллюстрировать благодаря многолетним статистическим данным о добыче пушнины). Но с точки зрения эколога заяц и трава, дафния и одноклеточная водоросль – это такие же пары «хищник – жертва», как и заяц с лисицей.
Численность жертв и хищников подвержена циклическим колебаниям. Жертвы (в нашем случае – водоросли) растут быстрее. Их численность увеличивается, но изобилие пищи вызывает рост числа хищников (дафний). Дафнии едят водоросли, количество водорослей падает, а вслед за этим падает и количество дафний – пищи стало меньше. Затем цикл повторяется.
Но такая модель «хищник – жертва», охватывающая всего два вида, значительно идеализирована. Ее можно сравнить с «задачей двух тел» в физике. Физики уже давно справились с задачей описать движение двух взаимодействующих тел под действием силы тяготения, когда же этих тел становится хотя бы три, задача значительно усложняется. Точно также куда сложнее описать математически взаимодействия в сообществах, где присутствует несколько видов хищников и несколько видов их жертв.
Советский биолог Георгий Гаузе еще в юности сформулировал закон, описывающий ситуацию, когда в сообществе есть два вида, зависящих от одного ресурса (например, два хищника с общей жертвой). Этот закон получил название закона конкурентного исключения или закона конкуренции популяций. Если в нашем аквариуме будет два вида дафний и один вид водорослей, служащих им пищей, то, согласно этому закону, тот вид, который будет менее эффективным, постепенно неизбежно вымрет. В обобщенной форме этот закон сейчас утверждает, что число видов в сообществе не может превышать число факторов, ограничивающих рост их популяции.
Однако, когда мы переходим от аквариума к природному водоему, планктон преподносит нам сюрприз. Зоопланктон в морях составляет десятки, если не сотни видов, все они используют одни и те же ресурсы (другими словами: занимают одну экологическую нишу), однако прекрасно существуют вместе. Это явление, на которое ученые обратили внимание в 1950-е годы, получило название парадокс планктона.
Математическое описание сообществ планктона и построение моделей, способных предсказать количество определенного вида – весьма сложная задача. В феврале 2008 года в журнале Nature был описан примечательный эксперимент с планктонными организмами, длившийся 2300 дней. Как оказалось, модели, которые предлагаются для описания планктонных сообществ, дают хорошие предсказания лишь на срок 15 – 30 дней.
