Введение: невидимые гиганты океана
Когда мы представляем себе фитопланктон – основу морской жизни – перед глазами обычно встают картины цветущих вод, густых зелёных слякотей или масштабных «цветений» диатомовых водорослей. Однако в холодных водах Арктики, где солнце низко, лёд покрывает моря большую часть года, а питательных веществ катастрофически не хватает, настоящими хозяевами экосистемы становятся организмы, которые невозможно разглядеть невооружённым глазом.
Пикофитопланктон – фотосинтезирующие организмы размером менее 3 микрометров. Это меньше, чем толщина человеческого волоса. И всё же именно эти невидимки производят значительную часть кислорода, которым мы дышим, и формируют фундамент пищевых цепей самых суровых морей планеты.
Восточно-Сибирское море – одно из наименее изученных и труднодоступных морей мира. Девять месяцев в году оно сковано льдом, а летом погода остаётся непредсказуемой. Тем не менее именно здесь, в сентябре 2017 года, группа российских океанологов во главе с Татьяной Белевич из МГУ провела уникальную экспедицию. Их цель – разобраться, как устроен мир крошечных водорослей в условиях, когда на море одновременно влияют воды Тихого и Атлантического океанов, а мощные сибирские реки Индигирка и Колыма ежегодно выбрасывают в него тысячи кубических километров пресной воды.
География эксперимента
Учёные проложили три трансекта – маршрута от берега к открытому морю. Трансект I проходил через пролив Санникова, разделяющий Новосибирские острова, и попадал в зону влияния реки Лены, чьи воды приносятся с запада из Лаптевых морей. Трансект II тянулся от устья Индигирки к кромке льда, а Трансект III – от устья Колымы в том же направлении. Таким образом, исследование охватило западную, центральную и восточную части шельфа.
Каждая станция на этих маршрутах превращалась в плавающую лабораторию. С помощью карусельного водопроборника брали пробы с разных глубин – от поверхности до 60 метров. Затем начиналась сложнейшая цепочка анализов: часть воды фильтровали для определения хлорофилла, часть инкубировали с радиоактивным углеродом-14 для измерения скорости фотосинтеза, часть пропускали через микроскопические фильтры для подсчёта пикофитопланктона, а из некоторых проб извлекали ДНК для метабаркодинга – современного метода, позволяющего определить, кто именно из микроорганизмов обитает в каждом миллилитре морской воды.
Климатические экстремумы: от речных вод до ледяного фронта
Условия, в которых работали учёные, поражают контрастами. На Трансекте II температура поверхностных вод колебалась от −1,4°C у кромки льда до +6,2°C у берега. Солёность менялась ещё драматичнее: от 15,2 промилле у устья Индигирки до 30,3 промилле в северной части маршрута. Для сравнения, средняя солёность Мирового океана – около 35 промилле, а в Балтийском море, считающемся солоноватоводным, она держится около 7–8 промилле. Восточно-Сибирское море демонстрирует весь спектр – от почти пресной воды до приближающейся к океанической.
Особенно интересной оказалась центральная часть Трансекта III – зона шириной около 250 километров, где вертикальная стратификация воды практически отсутствовала. Обычно в Арктике поверхностный слой, смешанный ветром и волнами, резко отличается по температуре и солёности от глубинных вод. Здесь же температура на дне достигала +4°C – практически как на поверхности, а разница в солёности между верхними и нижними слоями не превышала 0,2 промилле. Такая «перемешанность» свидетельствует о проникновении вод Тихого океана, которые, двигаясь с востока через Берингов пролив и Чукотское море, достигают шельфа Восточно-Сибирского моря.
Питательные вещества распределялись неравномерно. Концентрация нитратов и нитритов в поверхностном слое редко превышала 0,5 микромоля на литр – при том, что для нормального развития фитопланктона обычно требуется не менее 1 микромоля. Фосфаты и кремнекислота были в избытке, но азот, ключевой элемент для синтеза белков и ДНК, ощущался катастрофическим дефицитом. Показатель дефицита нитратов относительно фосфатов – достигал отрицательных значений −23 микромоля на литр, что указывает на влияние тихоокеанских вод, характеризующихся именно таким «азотным голодом».
Цифры и факты: сколько же этих крошечных водорослей?
Пикофитопланктон оказался повсеместным, но его количество варьировало в десятки раз. В поверхностном слое Трансекта I (пролив Санникова) концентрация клеток доходила до 39 миллиардов на кубический метр – это как если бы в олимпийском бассейне плавали триллионы микроскопических зелёных существ. На Трансекте II, в западной части моря, численность была скромнее – от 1 до 9,4 миллиарда клеток на кубический метр. А вот на Трансекте III, под влиянием тихоокеанских вод, пикофитопланктон снова «взрывался» – до 33,2 миллиарда клеток на кубический метр.
Биомасса, выраженная в миллиграммах углерода на кубический метр, следовала той же тенденции. Максимальные значения на Трансекте III достигали 6,4 мг C/м³ у поверхности и 6,13 мг C/м³ в среднем по эвфотическому слою – более чем вдвое превышая показатели западного маршрута.
Но самое поразительное – вклад пикофитопланктона в общую массу хлорофилла. Хлорофилл a, зелёный пигмент фотосинтеза, измеряется во всех океанологических исследованиях. Обычно мелкие водоросли «теряются» на фоне крупных диатомов и динофлагеллятов. Здесь же картина была обратной: на некоторых станциях Трансекта II пикофракция составляла 75% всего хлорофилла! В среднем по эвфотическому слою её доля колебалась от 13 до 70% на западе и от 12 до 58% на востоке. В верхних 10 метрах, где освещение наиболее интенсивное, мелкие водоросли полностью доминировали.
Фабрика органики: кто производит углерод в арктических водах?
Первичная продукция – синтез органического вещества из неорганического с помощью энергии солнца – это «фабричный цех» океана. Учёные измерили его методом углерода-14: в воду добавляли микродозы радиоактивного бикарбоната, инкубировали пробы в специальных контейнерах на глубине забора при естественном освещении, а затем определяли, сколько «метки» перешло в клетки водорослей.
Результаты оказались неожиданными. Общая первичная продукция (всех размеров фитопланктона вместе) на Трансектах II и III почти не различалась – в среднем около 4,4 мг C/м³ в сутки. Но вот структура производства кардинально отличалась! На западе, в атлантическом секторе, основными производителями были крупные клетки – более 3 микрометров. Их вклад достигал 53–97%. На востоке, в тихоокеанском секторе, пикофитопланктон «брал на себя» 31–74% общей продукции.
При этом удельная продуктивность – сколько углерода фиксируется на единицу хлорофилла – у мелких водорослей на Трансекте III была вдвое выше, чем у крупных: 1,3 против 0,6 мг C/мг Chl в сутки. Это означает, что пикофитопланктон работал эффективнее: каждая молекула хлорофилла в крошечной клетке «перерабатывала» больше света и углерода, чем тот же пигмент в громоздкой диатомовой клетке.
Генетический паспорт: кто есть кто в микроскопическом мире?
Метабаркодинг 18S рРНК – метод, позволяющий «прочитать» генетический код всех эукариотических микроорганизмов в пробе – открыл поразительную картину биоразнообразия. Подавляющее большинство фотосинтезирующих пикоеукариот принадлежало к классу Mamiellophyceae – миниатюрным зелёным водорослям, характерным именно для холодных морей.
В этой группе выявили шесть родов: Micromonas, Bathycoccus, Ostreococcus, Mantoniella, Crustomastix и Dolichomastix. Самым разнообразным оказался род Micromonas – пять филотипов, включая арктический эндемик Micromonas polaris, широко распространённый M. commoda, M. bravo, M. pusilla и так называемый «клад F», ранее обнаруженный в Белом море.
Однако пространственное распределение этих видов оказалось неравномерным – и это главное открытие исследования.
Две экосистемы в одном море
На Трансекте II, в западной части Восточно-Сибирского моря, под влиянием атлантических вод и речного стока Лены, доминировал Micromonas polaris. Его доля в последовательностях ДНК колебалась от 24 до 53%, за ним следовали Bathycoccus prasinos (24–38%) и Ostreococcus tauri (8–21%). Картина была привычной для российской Арктики: в Карском и Лаптевых морях, расположенных западнее, Micromonas также господствовал.
Но на Трансекте III, в восточной части моря, под влиянием тихоокеанских вод, ситуация кардинально изменилась. Доля M. polaris не превышала 17%, а Bathycoccus prasinos «взлетал» до 51% на одной станции и до ошеломляющих 76% – на другой. Такого доминирования Bathycoccus в арктических морях ранее не наблюдалось.
Почему это важно? M. polaris считается арктическим эндемиком, приспособленным к экстремально низким температурам и длительному полярному дню. B. prasinos, напротив, – космополит, обитающий от умеренных до тропических вод. Ранее он встречался в Арктике, но никогда не доминировал. Его «триумф» в восточной части Восточно-Сибирского моря указывает на то, что тихоокеанские воды не просто приносят питательные вещества, но и транспортируют целые сообщества микроорганизмов, меняя экологическое лицо региона.
При этом другие группы водорослей – диатомовые (Bacillariophyta), хризофитовые (Chrysophyceae), криптофитовые (Cryptophyceae), динофлагелляты (Dinophyceae) – встречались преимущественно на Трансекте II. Их общая доля была выше в западной части моря, что коррелировало с большим биоразнообразием фитопланктона крупных размеров в атлантическом секторе.
Статистика подтверждает: вода определяет жизнь
Многомерный статистический анализ (метод главных компонент) показал, что первый фактор, объясняющий 42,26% общей изменчивости данных, включает температуру, солёность, концентрацию кремнекислоты и все параметры пикофитопланктона – кроме скорости его роста. Это означает: именно гидрологические условия и химический состав воды определяют, сколько мелких водорослей будет в море, какова их биомасса и продуктивность.
Второй фактор (15,37% изменчивости) связывал хлорофилл пикофракции, удельную продуктивность мелких клеток, нитраты и фосфаты. На графике факторных координат станции Трансекта III группировались отдельно от станций Трансекта II, образуя два чётких «облака» – визуальное подтверждение существования двух различных экосистем в рамках одного моря.
Корреляционный анализ добавил деталей: обилие пикоэукариот положительно коррелировало с температурой и кремнекислотой, но отрицательно – с солёностью и концентрацией неорганического азота. То есть мелкие водоросли предпочитали более тёплые, менее солёные воды с высоким содержанием кремния – именно такие, которые формируются под влиянием речного стока и тихоокеанских вод.
Экологическая логика арктического будущего
Авторы исследования предлагают убедительное объяснение доминирования пикофитопланктона в восточной части моря. Тихоокеанские воды, проникающие через Берингов пролив, слегка изменяют баланс питательных веществ в и без того бедном регионе. При этом осеннее солнце низко над горизонтом, света мало, и крупные водоросли, которым для роста нужно много ресурсов и энергии, оказываются в невыгодном положении. Мелкие же клетки, обладающие огромной удельной поверхностью и эффективным поглощением света, «выигрывают» эту гонку.
Это соответствует глобальной тенденции: в олиготрофных (бедных питательными веществами) водах мелкий фитопланктон всегда имеет преимущество. В Арктике, где потепление сокращает ледовый покров, увеличивает пресный сток рек и усиливает стратификацию воды (перемешивание верхних слоёв прекращается, и питательные вещества не поднимаются с глубины), этот сдвиг в сторону мелких форм становится неизбежным.
Но есть и обратная сторона. Доминирование пикофитопланктона означает снижение общей первичной продукции. Мелкие клетки, хотя и многочисленны, не могут полностью компенсировать биомассу крупных диатомов. Кроме того, они по-разному включаются в пищевые цепи. Крупный фитопланктон – корм для крупных зоопланктонных рачков, а те – для рыб, тюленей, китов. Пикофитопланктон поедается микроскопическими жгутиковыми и инфузориями, и энергия в такой цепи теряется быстрее. Наконец, мелкие клетки медленнее тонут и хуже «выносят» углерод на дно океана – а это ключевой механизм поглощения CO₂ из атмосферы.
Арктика меняется: что дальше?
Исследование Белевич и соавторов – не просто снимок одной экспедиции. Это базовая линия, от которой можно отсчитывать изменения. Авторы подчёркивают ограниченность данных: всего три маршрута, только осень, метабаркодинг выполнен лишь для пяти проб с поверхности. Восточно-Сибирское море требует гораздо более интенсивных исследований, особенно вблизи острова Врангеля, где влияние тихоокеанских вод должно быть максимальным.
Тем не менее выводы однозначны. Структура пикофитопланктонного сообщества в Восточно-Сибирском море осенью специфична для водных масс: Micromonas polaris – маркер атлантического влияния, Bathycoccus prasinos – индикатор тихоокеанских вод. При этом мелкие водоросли играют критически важную роль в поддержании продукции в условиях, когда крупный фитопланктон не может развиваться из-за дефицита питательных веществ и света.
Ускоренное потепление Арктики увеличивает безлёдный период в Восточно-Сибирском море, но низкие концентрации нитратов и фосфатов делают это море принципиально отличным от соседнего Чукотского, где тихоокеанские воды приносят изобилие питательных веществ и поддерживают высокую продукцию. Восточно-Сибирское море останется бедным, и именно пикофитопланктон станет его главным «производителем» органики.
Для понимания последствий этих изменений необходимы дальнейшие исследования – с измерением вертикального распределения пикофитопланктона во всём суточном слое, с анализом всех размерных фракций (микро-, нано- и пикопланктона), с многолетними наблюдениями. Но уже сейчас ясно: невидимые крошечные водоросли – ключ к пониманию будущего одного из самых суровых и загадочных морей планеты. Их «правление» в арктических водах – не временное явление, а признак глубинных трансформаций, которые затронут всю планету, от пищевых цепей северных морей до климатических моделей Земли.
Ссылка на источник: Belevich T. A. et al. Picophytoplankton of the East Siberian Sea in autumn: spatial distribution, diversity and role in the ecosystem //Estuarine, Coastal and Shelf Science. – 2026. – С. 109893.