Океанология

«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.

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.

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.

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.

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.

Для интересующихся: индекс Жаккара

Индекс Жаккара – это предложенная П. Жаккаром (1901) формула, означающая отношение числа видов, найденных на двух исследуемых участках биотопа, к сумме видов, найденных на участке А, но не найденных на участке В, и найденных на участке В, но отсутствующих на участке А.

называется также коэффициентом флористического сходства (общности).

У микромира свои законы эволюции. К такому выводу пришли ученые, изучавшие микроскопические диатомовые водоросли. Оказалось, они плавают вместе с течениями по всему Мировому океану, поэтому новые виды просто не успевают образоваться. Впрочем, вывод биологов можно оспорить.

Изоляция решает все?

Ученые всегда считали, что законы эволюции едины для всех — для растений, животных, бактерий, вирусов, грибов. Ведь как гласит классическая теория, видообразование происходит во многом благодаря географической изоляции. Это означает, что попав в изоляцию, виды долго живут независимой и самостоятельной жизнью. Они постепенно адаптируются к определенным условиям и, значит, эволюционируют. Другое важное следствие этого утверждения — родственные виды не могут жить далеко друг от друга. Это классическая дарвиновская теория. Но современник Дарвина, немецкий биолог и медик Курт Поликарп Йоахим Шпренгель считал, что «все, что меньше 1 мм, распространено повсюду». Эти слова, прозвучавшие 200 лет назад, оказались на удивление актуальными и сейчас.

Доктор Педро Серменьо (P. Cermeño) из университета города Виго (Испания) и доктор Паул Фалковски (P.G. Falkowski) из университета Ратгерса (Нью-Брансвик, США) показали на примере микроскопических диатомовых водорослей, что у микромира свои законы эволюции — для них не существует никаких барьеров и географической изоляции.

Ископамые диатомеи

Ученые изучали ископаемые остатки диатомей, воспользовавшись базой данных программы глубоководного бурения (Deep Sea Drilling Project and Ocean Drilling Program). Керны с остатками водорослей отбирались в Северной Атлантике, Тихом, Южном и Северном Ледовитом океане. Под пристальным наблюдением доктора Серменьо и его коллеги оказались 307 видов диатомей, живших в разное время — начиная с раннего плейстоцена (1,5 млн лет назад) и до наших дней.

Водоросли-консерваторы

Перед учеными стояли две задачи. Во-первых, изучить филогенетическую линию диатомей за этот период, то есть посмотреть, как шло видообразование этой группы. А во-вторых, выяснить, насколько состав сообществ диатомовых водорослей отличается в разных океанах.

Оказалось, что за 1,5 миллиона лет диатомеи практически никак не изменились. Несмотря на всю нестабильность климата этого периода — череду потеплений и похолоданий — диатомовые водоросли как будто остановились в развитии: эволюция их практически не затронула. «Многие виды диатомовых водорослей очень похожи внешне, а с другой стороны, генетически они различаются. На это как-то не обращали внимания раньше, а это очень важно. Мы считаем, что это связано прежде всего с отсутствием барьеров, препятствующих распространению диатомей», – считают авторы работы. Ведь без географической изоляции морфологические различия просто не успели сформироваться.

Кругосветное плавание

Одни и те же виды ученые обнаружили в Тихом, Южном и Атлантическом океане. Причем видовой состав сообществ в этих разных океанах совпадал на 97%. Это значит, что диатомеи могут свободно перемещаться практически по всему Мировому океану. Скорее всего, считает доктор Серменьо, диатомеи из Тихого океана попадают в течения около Индонезии, потом их подхватывает поток около мыса Игольного, а затем уже они оказываются в Атлантике, где двигаются на север. Кроме того, доктор Серменьо не исключает того, что диатомеи из Тихого океана попадают в поток Антарктического циркумполярного течения и оказываются в Южном океане. Или из Тихого океана через Северный Ледовитый океан плывут в Арктику.

Более подробно о результатах работы ученых можно прочитать в журнале Science. Однако прежде чем соглашаться с выводами биологов, стоит вспомнить основной постулат дарвиновской теории — про изоляцию. Ведь если течения перемещают водоросли по всей Земле, то ни о какой изоляции речи идти не может. Скорее, можно говорить о наборе универсальных приспособлений, которые со временем распространяются на водоросли всей планеты.