Живой мир полярных районов (Карлтон Рэй Д., Маккормик-Рэй М.Д.)

Лишайники (Ramalia и Xanlhoria), покрывающие скалы на острове Кинг-Джордж в Антарктике, растут там, где мало какие растения, способны выжить. Лишайник представляет собой не одно растение, а два, это сожительство водоросли и гриба. Грибной компонент лишайника необычайно прочными нитями прикрепляет лишайник к камню или почве и связывает воедино множество отдельных мельчайших водорослей

Одни виды живых организмов живут в полярных районах круглый год, другие появляются здесь лишь в определенные сезоны. Одни постоянно находятся на краю гибели, другие только в полярной среде и могут существовать. Всех объединяет одна черта: они приспособились к жизни в полярных условиях. Это означает, что они обладают свойствами, которые соответствуют как биотическим так и абиотическим особенностям окружающей среды и позволяют им противостоять стрессам, которым подвергает их полярный климат. Эти свойства они приобрели в процессе эволюции, откликавшейся на изменения ледниковой эпохи, в которой мы все еще живем в настоящее время.

Лишайник (вероятно, Xanthoria elegans) разрисовал тонкими узорами скалы острова Сомерсет на севере Канадской Арктики. Нити грибного компонента лишайника вырабатывают кислоты, они разъедают камень и открывают организму доступ к минеральным веществам. Нити также поглощают воду, которую водоросли используют в процессе фотосинтеза

В цепи эволюционной адаптации не может быть слабого звена, иначе наступает гибель. Каждый биологический вид нуждается в пище, в пристанище, каждый должен успешно размножаться, взаимодействовать с соседями, регулировать свои собственные физиологические механизмы. Адаптационная стратегия включает морфологические приспособления, т. е. определенную величину и форму тела, теплоизоляцию, например мех и подкожный жир, механизмы охлаждения, такие, как плавники, хвосты, уши, широкие лапы для передвижения по снегу и т. д. Включает она и физиологические приспособления - энзимы, лучше всего работающие при низких температурах, «антифриз» в крови и даже полное отсутствие гемоглобина и красных кровяных телец у целого семейства антарктических рыб. Она включает также поведение, иногда просто поразительное, благодаря которому живое существо выживает в полярных районах, хотя оно явно лишено необходимых для этого морфологических и физиологических предпосылок. Новорожденный морж не мог бы выжить на льду, если бы не тепло материнского тела. Лемминги не выжили бы, если бы не прятали запасы растительной пищи под изолирующий слой снега, покрывающий их зимние норы в тундре. Гладкие киты перекочевывают летом в полярные районы, где могут подкормиться изобильным там в это время года планктоном, но гренландский кит составляет исключение: он не хуже полярных тюленей и моржей приспособился к постоянному пребыванию среди морских льдов. Полярные районы как бы „отфильтровывают" проникающие сюда из других климатических зон организмы. Чем ближе к полюсу, тем меньше встречается видов - пришельцы из местностей с более мягким климатом чаще всего не выдерживают здешних суровых условий. И все же многие выдерживают. Из них некоторые адаптируются настолько хорошо, что уже не могут жить в другом месте. В отдельных случаях процесс эволюционной адаптации породил удивительные параллелизмы и конвергенции. На противоположных концах Земли встречаются виды = двойники, подчас даже не состоящие в близком родстве. Параллельные линии эволюции, когда у довольно близких друг другу видов складывается похожая стратегия жизни, можно проследить на тюленях, обитающих на льду. Примером же конвергенции являются антарктические пингвины и их арктические двойники - бескрылые гагарки: вряд ли связанные хотя бы отдаленным родством, они ведут сходный образ жизни.

Лишайник (вероятно, Centraria islandica), растущий в тундре. Хотя лишайники чувствуют себя прекрасно даже там, где их окружает самая враждебная среда, они не выносят загрязнения воздуха. В районах с высокоразвитой промышленностью эти необычные растения встречаются редко

Огромные пространства арктической тундры устланы так называемым оленьим мхом (Cladonia rangifera). Этот лишайник (на что указывает его название) играет важную роль в питании оленей, которых в Северной Америке называют карибу

Обратимся к рыбам. Эндемичных семейств рыб, т. е. обитающих здесь и больше нигде, Арктика лишена. Зато в Южном океане все почти точно наоборот. Из 120 видов южноокеанских рыб около девяти десятых являются эндемиками. К нототеноидным рыбам Notothenoidei (этот подотряд не имеет обиходного наименования, отчасти потому, что в Антарктике не подвизаются рыбаки, которые могли бы как-нибудь окрестить этих рыб ( Рыболовный промысел в Южном океане, например на 1980 г., дает следующую цифру улова: 529 000 т (Year book of fishery Statistics, 1981). - Прим. ред.)) относятся три четверти всех видов, встречающихся на континентальном шельфе. Наличие такого большого подотряда, богатого видами, - следствие длительной изоляции Южного океана от других океанов. В ходе эволюции нототеноидных рыб образовались формы, очень сходные с другими семействами, распространенными далеко от Антарктики. Это удивительный пример конвергентной эволюции, т. е. одинаковой эволюции видов, имеющих разное происхождение. Например, в антарктическом семействе нототениевых (Notothenidae) имеются виды, сильно напоминающие терпуга и треску из северного полушария. В числе этих видов -антарктический клыкач (Dissostichus mauwsoni),самая крупная из антарктических рыб: в длину она достигает до полутора метра, весит от 50 до 70 кг. Кстати, известно, что тюлени Уэдделла выталкивают этих гигантских рыб на лед и не спеша пожирают. Другие нототениевые гораздо меньше, в том числе привыкший к очень низким температурам трематом-пестряк (Trematomus bernacchii), обитающий под припаем. Один род этого семейства, Pleuragramma, включает антарктическую серебрянку, единственную в Антарктике по-настоящему пелагическую рыбу, питающуюся планктоном. Хищные рыбы Южного океана (Harpagiferidae) напоминают северных коттункулов - и те, и другие вооружены обычно длинным усиком на нижней челюсти. Антарктические плосконосы Bathydraconidae вытянуты в длину и с виду походят на щук, но в отличие от них предпочитают лежать на дне. И наконец, самые необычные из всех обитателей Южного океана - белокровные рыбы (Channichthyidae), лишенные красных кровяных телец и гемоглобина. Эти крупные рыбы, ведущие хищнический образ жизни, также обладают известным сходством со щуками. Антарктические рыбы служат живым опровержением мнения, будто фауна полярных районов лишена разнообразия. Конечно, здесь общее число видов меньше, чем в умеренных зонах или в тропиках, но где еще на Земле можно встретить такое изобилие китов, тюленей, гагарок, пингвинов и нототениевых рыб? Многие группы животных, эволюционировавших здесь, больше нигде не встречаются.

Распространенная в Южном океане длинноперая белокровка Pagetopsis macropterus плывет над самым дном, затем останавливается передохнуть на каком-нибудь удобном выступе, например на губке. Через полминуты она снова пускается в путь, не очень дальний, делая с помощью гребных движений крылоподобных грудных плавников два-три метра в минуту. Если поймать ее и выпустить в воду в нескольких метрах ото дна, она, проплавав с минуту, медленно опустится вниз. Спугнутая подводным пловцом, рыба широко раскрывает пасть, растопыривает жаберные крышки, подымает спинной плавник, раздувает грудной плавник, тело выгибает -словом, явно принимает угрожающую позу. Быстро обратиться в бегство она не в состоянии. Белокровка не может позволить себе такие большие затраты энергии, так как у нее отсутствуют красные кровяные тельца, которые снабжают ткани кислородом.

Белая куропатка распространена почти по всей Арктике. Летом ее оперение покрыто пятнистым или красно-коричневым оперением, зимой - ослепительно белое, лишь хвост, глаза и клюв остаются черными

Такими клетками обладают все позвоночные, за исключением большинства антарктических белокровных рыб из семейства Channichthyidae. Точнее, у некоторых белокровных рыб красные кровяные тельца составляют до 30 процентов твердого вещества крови (тогда как почти у всех остальных позвоночных - 95 - 99 процентов), но у подавляющего большинства белокровных рыб они полностью отсутствуют, а следовательно отсутствует и гемоглобин. Это возможно только в Южном океане с его всегда холодной водой: ведь чем холоднее вода, тем больше кислорода она содержит. Предполагают, что и нототеноидные рыбы склонны к низкому содержанию красных кровяных телец; эти рыбы, можно сказать, анемичны. Этот недостаток компенсируют многими способами, в частности понижением активности. Последними исследованиями доказано, что емкость их сердца и объем крови больше, чем у других рыб, кровь движется быстрее. В коже и плавниках расположено множество капилляров, с помощью которых они извлекают кислород из воды. По-видимому, потребовалась многолетняя эволюция, чтобы возникло столь совершенное приспособление, каким является отсутствие красных кровяных телец. Неясно только, какие преимущества оно дает. В богатых кислородом водах Южного океана потребность в красных кровяных тельцах меньше, но полное их отсутствие вынуждает к менее подвижному образу жизни.

В Арктике рыбы, лишенные красных кровяных клеток, не могут существовать. В ее рыбной фауне преобладают пришельцы из северных вод умеренной зоны, такие, как сельдь, треска, лосось, сиг, палтус. Шельфовые воды и реки Арктики летом прогреваются на поверхности до 10 °С и более, рыбам приходится адаптироваться к такой высокой температуре, а это требует сохранения нормального числа красных кровяных клеток. Тихоокеанская сельдь (Clupea pallassi) фактически обитает в умеренных зонах, нерестится же повсеместно в Арктике. Она мечет икру у самого берега; каждая самка выметывает 20 тыс. икринок, и наибольшая выживаемость потомства у тех рыб, которым удалось выметать икру на растения: вокруг них быстрее циркулирует вода. На всем шельфе Арктического бассейна можно встретить сайку, или полярную тресочку (Boreogadus saida),она также нерестится в прибрежных водах. Случается, что в заливах и бухтах скапливаются миллионы этих рыб. И сельдь, и тресочка служат важной статьей питания для тюленей и китов и составляют неотъемлемое звено арктической пищевой сети, связывающее зоопланктон и морских млекопитающих.

Тундряная куропатка (Lagopus mutus), имеющая большое сходство с белой куропаткой (L. lagopus), обитает на скалистых склонах гор по всей Арктике. В зимнюю стужу ее ноги прикрывают перья-подушки, своего рода валенки

Животные и растения, существующие и взаимодействующие на одной территории, будь то озеро, тундра или море, образуют сообщество. Взаимодействуют они, конечно, многообразными способами. Некоторые виды симбиотичны и зависят друг от друга ко взаимной выгоде; так, растущий в тундре лишайник представляет собой не одно растение, а два - водоросли и грибы, живущие вместе. Подобный симбиоз часто принимает форму паразитизма - один партнер извлекает выгоду для себя во вред другому. Но большинство видов связаны не так тесно, и для понимания их взаимозависимости рассмотрим пищевую сеть. Прежде говорили не о сети, а о трофической цепи, показывающей, кто что ест и что кем съедено. Она предполагает различные трофические уровни: на первом помещаются фотосинтезирующие продуценты; на втором - травоядные; на третьем - плотоядные и, наконец, редуценты, возвращающие основные питательные вещества со всех уровней обратно на первый. Классическим примером пищевой цепи служит такая: олений мох Cladonia (на самом деле это лишайник) - карибу - волк. Или: фитопланктон - криль - синий кит. Общая масса организмов, отнесенная к единице площади, называется биомассой; она пропорционально уменьшается на каждом последующем уровне пищевой цепи. Как показывает опыт, биомасса второго уровня меньше первого на 80 - 90 процентов, и на столько же биомасса третьего уровня меньше второго. Один килограмм биомассы с первого уровня на втором превращается в 100 или 200 г, а на третьем - в 10 или 20 г. Иными словами, если положить на весы все, что есть в тундре живого и мертвого, - лесные растения, зверей, насекомых и т. д., - то больше всего потянут живые растения и отмерший растительный материал, а меньше всего хищники. В этом отношении сообщества, существующие на дне водоемов - бентические, в какой-то мере напоминают наземные, особенно если находятся на мелководье, куда поступает достаточно света для процесса фотосинтеза. Но пелагические сообщества кардинально отличаются от наземных и придонных. В пелагиали нет растений, аналогичных произрастающим на суше, нет и бурых водорослей, встречающихся в других морях близ берегов. Растительность на берегу или просто на суше живет годами, и в ее тканях часто находятся в связанном виде питательные вещества, например углерод. Недаром древесные растения получили название "узкого места экосистем": требуются годы, чтобы целлюлоза, образующая древесину, распалась и из нее высвободились питательные вещества. В море процесс высвобождения питательных веществ и весь круговорот их протекают иначе. Если взвесить все живое вещество морского сообщества, то микроскопические животные организмы, называемые зоопланктоном и кормящиеся растениями, окажутся тяжелее остальных членов сообщества, даже фитопланктона или китов с тюленями. Растения компенсируют недостаток биомассы огромной продуктивностью, размножаясь с такой быстротой, что их ежегодный прирост во много раз превышает биомассу зоопланктона, хотя в каждый данный момент он меньше. Эта особенность моря графически выражается перевернутой пирамидой биомасс: огромная биомасса некоторых арктических веслоногих ракообразных и антарктического криля превышает биомассу их растительной пищи.

Гигантский буревестник (Macronectes giganteus) выхаживает своего птенца на острове Кинг-Джордж в Антарктике. Его область распространения простирается далеко на юг, до южных берегов Антарктического материка, намного дальше, чем ареалы других членов этого семейства

Дело, однако, обстоит не так просто, как это представляется пищевыми цепями и пирамидами, где каждый вид располагается на своем собственном трофическом уровне. Некоторые животные весьма разборчивы в пище, синие киты, например, питаются только зоопланктоном. Но вот бурый медведь ест все подряд: ягоды, рыбу, птиц, лосятину... У каждого животного есть набор излюбленных видов пищи, и его вкусы меняются со сменой времен года и по мере того, как те или иные продукты становятся годными к употреблению. А когда животное умирает, то на каком бы уровне цепи оно ни находилось, его останки становятся добычей трупоедов или разлагаются. Однако в полярных областях разложение происходит медленно, и труп может быть съеден, прежде чем оно завершится, - в полярных сообществах много охотников до мертвечины. Экскременты также разлагаются медленно и в свою очередь могут послужить кому-нибудь пищей. Поэтому в применении к полярным областям лучше говорить не о прямой пищевой цепи, а о пищевой сети. В ней сохраняются трофические уровни и пирамиды биомассы, но виды не всегда точно вписываются в свои ниши. Право же, чрезмерная точность порою бывает излишней. Некоторые виды, входящие в полярные сообщества, употребляют непомерные количества пищи. Обитатель арктической тундры карибу питается низкорослыми растениями, в частности оленьим мхом. Каждому карибу требуется ежедневно в среднем 2 - 3 кг пищи. Сто тысяч карибу общим весом около 10 млн. кг уничтожают ежедневно 200 - 300 т тундровой растительности, которая появляется почти исключительно летом. Продуктивность квадратного километра тундры не очень велика, и, чтобы прокормиться, оленьим стадам приходится кочевать по бескрайним просторам Арктики. Поэтому залогом устойчивости популяций карибу может быть только обширность его области распространения. Любые сокращения ее площади неизбежно вызовут серьезные последствия для численности стад карибу.

Паучник (Saxifraga flagellaris), растущий в арктической тундре, размножается, выбрасывая плети, через которые материнское растение кормит побеги. Как только побеги укореняются, плети отпадают

Арктическая калужница (Caltha palustris var. arctica) из семейства лютиковых цветет в естественной нефтяной скважине близ реки Сагаваниркток на Аляске. Она приспособилась к болотистым местностям в холодном климате

Еще более убедительные примеры взаимозависимостей живых организмов дает океанское сообщество. Морж весит в среднем около тонны. Все поголовье моржей, обитающих в северных водах за Беринговым проливом, весит не меньше 150 тыс. т. На этих широтах моржи могут найти воду и пищу в виде изобилующих на дне беспозвоночных только на глубине 50 - 150 м. Каждое стадо дружно кормится в течение 36 - 48 часов, а потом столько же времени отдыхает. Взрослое животное, весящее от одной до двух тонн, за день потребляет корма в размере пяти процентов веса своего тела, т. е. от 40 до 80 кг моллюсков, или от нескольких сотен до нескольких тысяч особей. Почти в полном мраке, царящем на этой глубине, морж, подобно свинье, зарывается мордой в донный грунт и могучими движениями языка высасывает моллюсков из створок. Вопреки распространенному мнению, они не выкапывают моллюсков с помощью бивней. Самки особенно нуждаются в усиленном питании. Им необходимо запасти толстый слой подкожного жира, так как беременность и выкармливание детенышей требуют дополнительных затрат энергии. Каждый день Берингово и Чукотское моря должны дать моржам 7 500 т пищи, а это целые горы моллюсков. В поисках их моржи рыскают во всех направлениях. Все чаще им приходится сталкиваться с конкуренцией человека. Если он переусердствует в добыче моллюсков, моржам грозит голодная смерть.

Вблизи колоний морских птиц, пингвинов например, растительность обычно скудная. На некоторых островах Антарктики, где кроме пингвинов гнездятся другие морские птицы и селятся тюлени, почва настолько пропиталась экскрементами, что на ней ничего не растет. Такие почвы содержат большие количества фосфора и неорганического азота, и их-то тающие снега и льды, а также летние дожди смывают в океан, удобряя прибрежные воды. Наглядный пример круговорота питательных веществ: пингвины и тюлени кормятся в море, выходя на сушу -поставляют наземным организмам питательные вещества в виде фекалий и снова отправляются за пищей в море. Это показывает, какое значение имеет сообщество организмов, даже разобщенных, для экосистемы в целом. Термином „экосистема" исследователи обозначают основную функциональную ячейку природы. В нее входят все животные, растения и неорганический субстрат в пределах данной территории. По определению одного ученого, экосистема - это взаимосвязанная система взаимообусловленных процессов в пределах определенных физических границ. Что такое экосистема, можно объяснить на примере человеческого тела: оно состоит из самостоятельных частей - рук, ног, глаз, ушей, каждая часть выполняет свою функцию, но зависит от общей системы физиологических процессов, которая их все координирует. Эти процессы обеспечивают питание, необходимое для роста организма, и выводят продукты распада. Все вместе они поддерживают нормальное функционирование тела. Экосистемы имеют разные составляющие - биологические виды, вода, льды, химические вещества, субстрат и т. д., - координируемые определенными экологическими процессами, которые обеспечивают питательные вещества и выводят продукты распада или же превращают их в форму, годную для потребления. Но, в отличие от человеческого тела, границы экосистемы установить трудно, ибо она постоянно изменяется в зависимости от переменных факторов окружающей среды. Одни из них малы - например, озерки, образующиеся в тундре во время таяния, другие огромны - вся толща вод Южного океана.

Крестовник (Senecio pseudoarnica) выпустил почки

Крестовник (Senecio pseudoarnica) цветет в арктической тундре. В осенний и летний сезоны, весьма непродолжительные, тундровые растения цветут пышно, но недолго. Крестовники предпочитают открытую местность и обычно приживаются на таких почвах, где по-настоящему пышная растительность существовать не может, например в Арктике

По другому определению, экосистемы представляют собой энергопроизводящие единицы, в которых используются и совершают эффективный, поддающийся прогнозированию круговорот питательные вещества и другие материалы. Так, энергия, излучаемая Солнцем, улавливается в процессе фотосинтеза для производства растительного вещества. При посредстве консументов питательное вещество проходит через пищевые сети с их трофическими уровнями, образуются продукты распада. В то же время главной отличительной особенностью экосистемы является то, как в ней накапливаются и обращаются материалы. Различают, к примеру, системы быстродействующие и замедленного действия, в зависимости от того, с какой скоростью в них происходят разложение и круговорот питательных и прочих веществ. На продуктивность, потребление, разложение и круговорот вещества воздействуют многие факторы: кислотность почвы, температура воздуха, влажность, свет, ветер, течения, поступление энергии и др. Динамика экологических систем, несомненно, относится к сложнейшим проблемам. Если изобразить взаимозависимость явлений внутри экосистемы в виде схемы, то она поставит в тупик даже самый совершенный компьютер. И все же можно выделить некоторые главные взаимосвязи, на которых и сосредоточено внимание ученых, занимающихся исследованием экологических систем.

Как известно, площадь, занимаемая морским льдом, сильно изменяется от зимы к лету. Морской лед начинает образовываться при температуре около -2 °С. Это чрезвычайно красивый процесс. Сначала на поверхности воды возникает тонкий слой мелких ледяных кристаллов - ледяное сало. Вскоре кристаллы смерзаются в серый лед, очень тонкий на первых порах, - сквозь него даже хорошо просматривается темная толща воды. Ветер и волны легко разбивают хрупкий пласт, превращая в различные геометрические фигуры, но они вскоре теряют свои очертания и уплотняются настолько, что выдерживают вес идущего человека или растянувшегося во всю длину тюленя. На этой стадии толщина ледяного покрова 15 - 25 см. Впрочем, определить ее с большой точностью трудно из-за того, что по сравнению с пресноводным морской лед менее плотен - он содержит маленькие карманы с насыщенным соляным раствором - рапой. Но когда морской лед, уплотняясь, превращается в серо-белый, а затем и вовсе белый, достигает в толщину от полуметра до двух и при этом покрывается снегом, он приобретает огромную прочность. К этому времени лед уже покрывает достаточно большую площадь, чтобы называться паковым льдом. Он непрерывно движется, нередко делает и до 10 км в день, но чаще его скорость колеблется между 500 м и 5 км.

От шельфового ледника Ларсена и моря Уэдделла по направлению к Южной Америке тянется Антарктический полуостров. Красный лишайник (Galoplaca), один из 350 видов лишайников Антарктики, не мог бы существовать в этом скалистом краю, не будь рядом птичьей колонии: содержащийся в птичьем помете азот служит ему удобрением

Зарегистрированная максимальная скорость движения паковых льдов - около 60 км в день. Пак лишен единообразия. Ветры и течения по своему капризу придают ему различные формы и уничтожают их. Сверху пак тает и испаряется, в то время как с нижней его стороны образуются тонкие кристаллы, которые, срастаясь, иногда на целый метр свешиваются выступами наподобие сталактитов. Словно хрустальные канделябры, они отбрасывают свет на воду подо льдом. Особенно сильные деформации вызывают ветры, которые взламывают льды, образуя разводья, не уступающие рекам, и полыньи наподобие озер. В других местах под натиском окружающих льдов пак вспучивается торосами и грядами. Глыбы льда, подобно парусам, вздымаются ввысь и на несколько метров уходят под воду. Не растаявший летом лед может составить основу для образования мощного многолетнего слоя. В Антарктике, правда, это практически не случается, но в покрове Северного Ледовитого океана преобладает именно такой лед. Вопреки общим представлениям, морской лед не только вполне пригоден для жизни, но и благоприятствует ей по крайней мере двояким образом. Во-первых, между тонкими кристаллами на нижней поверхности льда находят себе приют целые сообщества организмов - простейшие, мелкие ракообразные, черви... ( А. П. Андрияшевым (1967) предложен термин "криопелагический биоценоз", подчеркивающий связь ледового населения с толщей вод. - Прим. ред.). Из них наибольшее значение имеют диатомовые водоросли, поставщики жизненно важного питательного материала для пищевых сетей полярных морей. Во-вторых, благодаря тому, что морской лед выдерживает вес белых медведей, тюленей, моржей, эти животные распространяются далеко в море, иными словами, их районы обитания существенно увеличиваются. На таком прочном морском льду многие виды даже живут постоянно. Тюлени, например, выводят потомство на твердой поверхности, но кормиться могут только в море. Для них морской лед - «земля», пусть отстоящая далеко от земли, и некоторые из них так никогда и не выходят на берег. Не будь морского льда, белым медведям и их постоянным спутникам - песцам было бы труднее преследовать тюленей и охотиться на них. Недооценивая роль льда в полярной океанской среде, нельзя понять ее жизнь. Без ледяного покрова экологическая система полярных морей была бы совсем иной.

Чтобы выжить в холодном климате