Крупнейшая миграция в истории планеты затронет все живые организмы на Земле
Каждый вечер по всему миру триллионы зоопланктонов, многие из которых меньше рисового зернышка, парят на глубине сотен метров под поверхностью моря, ожидая своего сигнала. Ученые долгое время считали этих крошечных животных дрифтерами, пассивными пятнышками, подвешенными в океане, перемещаемыми прихотями приливов и течений. И все же, как раз перед тем, как солнце исчезает, стаи начинают подниматься в тайное путешествие к поверхности.
Когда они поднимаются, к ним присоединяются скопления другого зоопланктона: веслоногих моллюсков, сальп, криля и личинок рыб. Ночью множество людей остается у поверхности, но как только первые лучи утреннего света начинают падать каскадом на море, они уже возвращаются на глубину. Поскольку закат и восход солнца перемещаются с востока на запад каждые 24 часа — через Тихий океан, затем Индийский, Южный и Атлантический, — рой за роем совершают одно и то же путешествие вверх, отступая с возвращением дневного света.
Люди в основном не знают об этом ежедневном движении в воде, известном как вертикальная миграция Диля, но это крупнейшая обычная миграция жизни на Земле. По текущим оценкам, около 10 миллиардов тонн животных совершают эти экскурсии каждый день. Некоторые из них поднимаются с глубины более километра. Это поразительный подвиг. Для четвертьдюймовой личинки рыбы совершить путешествие в одну сторону по вертикали на 1000 футов равносильно тому, как человек проплывает более 50 километров - всего за час или около того. Во время путешествия эти животные проходят через зоны океана, где условия сильно отличаются. Почему огромное количество крошечных животных совершают такое трудное путешествие каждый день?
Короткий ответ — есть и не быть съеденным. В течение дня уязвимый зоопланктон прячется от хищников, таких как кальмары и рыбы, в темных глубинах. Когда наступает ночь, они устремляются к поверхности, чтобы под покровом ночи питаться фитопланктоном — микроскопическими водными растениями, которые обитают на глубине нескольких сотен футов.
Но это всего лишь преобладающий ветер вертикальной миграции. Существуют всевозможные перекрестные течения и вихри. Теперь, благодаря все более совершенным гидролокаторам, подводным автономным транспортным средствам и достижениям в секвенировании ДНК, исследователи начинают понимать эти детали. Подробности помогут ответить на вопросы, которые имеют значение для пищевой сети океана, глобального углеродного баланса и самой природы жизни на Земле.
Танцы глубин
Первые записи миграции Диля относятся ко Второй мировой войне, когда корабли и подводные лодки, использующие гидролокатор для прочесывания океанов в поисках вражеских подводных лодок, обнаружили нечто странное — участки морского дна, казалось, двигались вверх и вниз, создавая глубокий “рассеивающий слой”, который отражал сигналы гидролокатора. Слой колебался дважды в день на целый километр— сдвиги, которые, казалось, не поддавались логике. В 1945 году океанограф Мартин Джонсон поднялся на борт исследовательского судна для отбора проб планктона в разное время и на разных глубинах в течение 24 часов. “Из этих предварительных наблюдений, по-видимому, существует некоторая прямая корреляция планктонных животных с рассеивающим слоем”, - написал Джонсон. Однако предположение о том, что слой состоял из живых существ, вызвало больше вопросов, чем ответов.
Ответить на эти вопросы оказалось непросто. Вовлеченные животные крошечные, их переход происходит в темноте, а глубокий океан труднодоступен. Отслеживать стаи организмов размером с блоху в темных глубинах сложнее, чем следить за мигрирующими китами через полушария. К 1990-м годам исследователи узнали достаточно, чтобы описать миграцию Диля как облако организмов, поднимающихся и опускающихся в унисон. Гидролокатор с более высоким разрешением засек отдельные группы животных и более тонкие движения вверх и вниз. Однако даже сегодня гидроакустические исследования не позволяют определить, какие крошечные животные находятся в движении. Отбор проб зоопланктона, как это сделал Джонсон, может выявить организмы для идентификации, но при этом размываются нюансы времени и местоположения, которые могли бы указать, где каждое животное находилось в своем путешествии.
Несмотря на эти проблемы, новые исследования выявляют скрытые тонкости массовой миграции. Во-первых, этот процесс тесно связан с тем, что происходит в небе. Когда во время полярных зим солнце отсутствует неделями, некоторые из этих животных приспосабливают свои миграции к циклам Луны. Солнечные затмения могут побудить их начать плыть к поверхности. Зоопланктон, живущий ниже 1000 футов, где интенсивность света составляет всего 0,012 процента от того, что он находится на поверхности, может изменить свое вертикальное положение на целых 200 футов, поскольку проходящие облака изменяют количество достигающего их света, объясняет Дебора Стейнберг, заведующая кафедрой биологических наук Института морских наук Вирджинии. Она поняла это во время исследовательского круиза, хотя изменения освещенности на поверхности не были заметны ни ей, ни ее коллегам. “С нашей точки зрения на корабле, каждый день круиза был пасмурным, серым и дождливым”, - отметили она и ее коллеги в документе за 2021 год. Но зоопланктон каким-то образом зарегистрировал тонкие изменения в освещении далеко под водой.
Автономные транспортные средства, оснащенные камерами и устройствами сбора данных, которые позволяют им сопоставлять изображения с химическими сигнатурами из водной толщи, начали предлагать новые взгляды на миграцию глазами животных. Например, Келли Дж. Бенуа-Берд из Научно-исследовательского института аквариума Монтерей-Бей (MBARI) в Калифорнии и Марк Молин из Университета Делавэра отправили автономный подводный аппарат на глубину 300 метров в бассейн Каталина у южной Калифорнии, чтобы провести гидролокаторные измерения вертикально мигрирующего зоопланктона. Полученные эхо-сигналы были ошеломляющими: они показали, что зоопланктон был организован в четко определенные группы, плотно собранные по видам и мигрирующие вместе в тщательно рассчитанных подъемах.
“Нам нужно начать думать об этом не только как о массовом процессе, но и как об индивидуальном и видовом”, - говорит Бенуа-Берд о вертикальной миграции. И предприимчивый зоопланктон не одинок в ночных поездках. “Так много животных используют это как стратегию”, - говорит Бенуа-Берд. Осьминоги, рыбы-фонари, сифонофоры и другие разнообразные глубоководные существа также совершают ночные походы, чтобы избежать собственных хищников и найти пищу — в их случае, других мигрирующих.
Растения в движении
Животные, возможно, не единственные, кто совершает обычную вертикальную миграцию. Кай Вирц - профессор и специалист по моделированию экосистем в Институте прибрежных систем имени Гельмгольца-Центра в Германии. В 2016 году Вирц и его коллеги пытались описать, как распределение различного фитопланктона соответствует различным условиям океана. Но он заметил, что одна только циркуляция океанской воды не принесет достаточно азота и фосфора из глубин, чтобы накормить огромное и необходимое покрытие океана фитопланктоном на поверхности.
Ученым десятилетиями было известно, что многие виды фитопланктона могут перемещаться — некоторые из них меняют свою плавучесть, сбрасывая жир или меняя свои размеры, а другие взбивают свои хвостоподобные жгутики. Вирц обдумал это, когда он более широко посмотрел на профиль океанов: верхняя часть заполнена солнцем, но питательных веществ мало. Дно не получает достаточно солнечного света для жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов, но оно содержит большое количество питательных веществ. Итак, подумал он, почему бы этим растениям не использовать свои развитые локомотивные способности для перемещения между двумя пространствами? На самом деле, говорит он, “другого простого объяснения нет”.
По оценкам Вирца, возможно, что половина видов морского фитопланктона совершает регулярную вертикальную миграцию от десятков до 100 футов, перенося питательные вещества снизу и солнечную энергию сверху. Этим микроскопическим организмам могут потребоваться часы, дни или даже недели, чтобы завершить путешествие, некоторые размножаются по пути, тем самым позволяя своим потомкам продолжить миссию. Эта идея представляет собой радикальное изменение в том, как ученые могут думать о фитопланктоне, который они часто считают скорее химическим соединением, чем отдельными живыми организмами с различным поведением.
Лабораторные работы подтверждают не только то, что морские растения перемещаются вертикально, но и то, что их поведение более сложное, чем мы думали. Одна команда из Университета штата Вашингтон установила двухметровые резервуары для морской воды с динофлагеллятами фитопланктона, а затем ввела в один из резервуаров хищных копепод. Когда ученые воспроизвели типичные циклы дневного и ночного освещения, они увидели, как голодные ракообразные совершают традиционный ночной подъем и дневной спуск. Фитопланктон в обоих резервуарах делал обратное — всплывал в течение “солнечного” дня и опускался ночью, вероятно, чтобы максимально увеличить воздействие солнечного света и свести к минимуму риск быть съеденным ночным зоопланктоном.
Однако, к изумлению исследователей, они увидели, что одноклеточные растения в башне с копеподами обычно ночью отступали еще глубже, чем обычно, увеличивая расстояние между собой и врагами наверху. Никто не знает, как фитопланктон чувствует поведение своих хищников. Но, как отметили исследователи в своей статье в серии “Прогресс морской экологии”, "Эта недавно сообщенная поведенческая реакция ... может иметь важные экологические последствия".
Одним из последствий миграции фитопланктона является масштаб изменения климата. В 1995 году Стейнберг и другие ученые пытались собрать воедино глобальный углеродный бюджет — количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, и количество, извлекаемое из него, частично морскими экосистемами. Цифры не складывались; с поверхности океана исчезало больше углерода, чем они могли объяснить. Затем Стейнберг заглянул во тьму.
Одним из последствий миграции фитопланктона является масштаб изменения климата. В 1995 году Стейнберг и другие ученые пытались собрать воедино глобальный углеродный бюджет — количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, и количество, извлекаемое из него, частично морскими экосистемами. Цифры не складывались; с поверхности океана исчезало больше углерода, чем они могли объяснить. Затем Стейнберг заглянул во тьму.И у нее было подозрение, что это может быть частью углеродного ответа.
И у нее было подозрение, что это может быть частью углеродного ответа.
На поверхности океана фитопланктон всасывает огромное количество углекислого газа из атмосферы, но большую его часть он выпускает обратно в воздух, часто в течение нескольких дней. Поскольку мигрирующий зоопланктон подплывает ночью и поедает эти морские растения, они становятся своего рода биологическим конвейером, транспортирующим углерод в глубины моря, где он может задерживаться на сотни или тысячи лет.
Фекальные осадки от вертикальных миграторов, богатые углеродом, опускаются через толщу воды. К ним присоединяются другие тонущие биологические частицы, создавая “морской снег”, который медленно опускается на глубокое морское дно. Вместе с плавающим зоопланктоном, уносящим с собой свои обеды, насыщенные углеродом, это глобальное поглощение углерода означает, что на планете “не так жарко, как было бы в противном случае”, - говорит Стакель.
Оценки количества углерода, поглощаемого мигрирующими организмами, сильно различаются, потому что многое в миграции диля остается загадкой. Более качественные данные улучшат климатические модели, что, в свою очередь, улучшит понимание того, как изменение климата изменит поведение этих организмов, а впоследствии и климат.
“Вы сталкиваетесь с этими важными вопросами для человечества, для климата, на которые мы не можем ответить, и многие из них связаны с этими мигрантами”, - говорит Кен Бусселер, старший научный сотрудник Океанографического института Вудс-Хоул.
Обсудим?
Смотрите также:
