Планктономешалка. Как перемешать океан живыми существами?

— Несколько недель назад в журнале Nature вышла статья, в которой ученые утверждают, что маленькие рачки могут перемешивать океан. Здесь, конечно, интересен даже не сам научный повод — что рачки перемешивают океан, а весь флер вокруг этой истории. Статья пролежала в журнале примерно три года.

Первая работа, которую опубликовала эта группа ученых, была сделана просто в стакане с водой. В этом стакане, конечно же, вся вода была однородной с точки зрения распределения плотности, но они показали, что действительно, когда маленькие рачки начинают плавать, там каким-то образом появляются небольшие турбулентные завихрения, которые могут перемешать содержимое данного стакана. Вероятно, когда они отправили эту работу в Nature, им сказали: «Нет, ребята, это слишком просто. В чем вообще проблематика?»

Если мы говорим про океаны или озера, да про любые достаточно крупные водоемы, там практически всегда толща воды стратифицирована, то есть разделена на слои разной плотности. В самом простом виде: вверху теплая, менее соленая и «легкая» вода, а внизу более соленая, холодная, «тяжелая» вода. И два этих слоя ведут себя как две разные жидкости. Они не перемешиваются. И все, что попало вниз, вверх уже попасть не может. И это имеет важные последствия для всех циклов биогенных элементов или поведения экосистемы.

Нет никаких факторов (кроме очень мощного ветра, который перемешает эту толщу воды и поднимет что-то снизу наверх), которые могут повлиять. Соответственно, возникает вопрос: а могут ли рачки, которые в океане регулярно поднимаются вверх ночью, чтобы поесть, и уходят вниз, в глубину, чтобы спастись от хищников, плавая туда-сюда, как-то это все закрутить? Ученые стали оценивать турбулентность, которая возникает после плывущего рачка, — рассчитывать, с одной стороны, а с другой — измерять в лаборатории, как это влияет на весь процесс перемешивания. Я так подозреваю, что их первую статью «завернули», потому что там было мало доказательств. Поэтому они стали привлекать лазерную подсветку, какие-то красивые визуализации, очень сложные расчеты, частички, имитирующие взвесь, которую можно заснять с помощью режима быстрой съемки. Поэтому в статье самое интересное — это пять роликов, которые показывают, как возникает турбулентность.

Если совсем просто, то один рачок, плывущий в воде, создает небольшую турбулентность после себя. Конечно, она очень слабая и быстро гасится той разностью в плотности между легкой водой и тяжелой водой. Но когда за этим рачком плывет второй рачок, а за вторым — третий, а за третьим — четвертый, то в конце концов эти турбулентные потоки усиливаются. И действительно (по крайней мере, в лабораторном сосуде, который использовали ученые), возникает небольшое течение, которое может так или иначе вынести с нижних слоев наверх то, что туда осело и было разделено гидрофизикой. Здесь очень много таких тонких моментов. Ну, например, они зачем-то использовали рачка, который живет не в океане, а в очень соленых озерах. Рачок artemia salina. Ученые сказали, что им важен размер, а не близкая видовая принадлежность к реальным объектам, которые находятся в океане. Все-таки можно фантазировать на тему того, что турбулентность от разных рачков тоже будет разной — в зависимости от того, как они себя ведут. В целом, конечно, все равно это лабораторные оценки, лабораторные сосуды, и такие large scale, то есть масштабные течения на 100 метров они пока еще не оценили. Все-таки я думаю, что не будут рачки перемешивать океан.

Но здесь еще интересна сдвижка фокуса в нашем исследовании: если 20 лет назад мы говорили про планктон как просто про некую большую биомассу, которая участвует в динамике экосистемы… то есть, скажем, большая биомасса планктона (рачков) съела большую биомассу фитопланктона (водорослей). Потом эта большая биомасса послужила кормом для рыбы, ну и что-то они эксекретировали и насытили воду своими выделениями.

Мы пытаемся понять, как одно животное в зависимости от его «настроения» — голодный этот рачок или сытый, захотелось ли ему сегодня размножится, или он откладывает этот захватывающий процесс на завтра — как эти индивидуальные различия влияют на поведение всей системы? Красноярские ученые делали похожую работу несколько лет назад. Мы оценивали уже не совместные миграции рачков, а, наоборот, их индивидуальные синхронные перемещения.

Когда рачки плывут днем в глубину, а ночью — к поверхности в океане, у них есть конкретные стимулы. Это хищник, который их ест, и корм, который находится вверху. Во многих озерах нет хищника, и тогда этого стимула нет. Тогда рачкам не нужно в принципе носиться туда-сюда каждый день. Но они все равно плавают. Да, они плавают хаотично, однако мы пытались измерить эти хаотичные передвижения, а потом понять, как они влияют на поведение экосистемы. И оказался очень интересный факт: те, кто плывут наверх, в тепло, скажем так, голодны. Те, кто плывут вниз, в холод, — сытые. То есть рачки не все находятся в одинаковом физиологическом состоянии. Кто-то голодный, кто-то сытый. И они в зависимости от этого плывут в разные стороны. Но когда они плывут наверх — туда, где тепло, в тепле у них метаболизм протекает намного быстрее. Соответственно, они там не только едят, но и выделяю то, что они съели. И там скорость выделения тоже выше, чем в холоде. И получается, что за счет таких достаточно хаотичных миграций в озере выделяется, формируется однонаправленный поток элементов снизу вверх. То есть рачки перетаскивают снизу питательные вещества вверх, чего в принципе в наших классических представлениях не происходило, потому как — что обычно происходит в озерах или в океанах? Водная толща разделилась на два слоя. Вверху были какие-то питательные вещества. Их фитопланктон съел. Потом этот фитопланктон послужил кормом для зоопланктона. И потом все это оседает вниз. Как только оно осело в тяжелую воду, соответственно, никакого потока «обратно» нет.

Чаще всего вверху у нас не очень много питательных элементов и очень невысокая биомасса того же самого планктона. Например, мы знаем, что открытый океан называют пустыней. Почему? Потому что там нечем питаться фитопланктону, поэтому там достаточно низкая биомасса. Так вот, рачки способны часть тех питательных элементов, которые осели внизу, перетащить обратно наверх. И вот этот поток в противоположную сторону как раз стал… мы его смогли оценить только тогда, когда посмотрели на планктон не как на огромную тупую биомассу, которую течением куда-то переносит, а сама она ничего не способна делать, а дошли до уровня крошечного (миллиметрового и сантиметрового) организма и попытались понять, как его чаяния и нужды влияют на поведение всей экосистемы.

 Редакция «Чердака»