Несмотря на популярные метафоры и карикатуры, изображающие простые «пищевые цепи», экологи, такие как профессор Университета Брауна Джон Уитман, обычно сомневаются, что они увидят, что хищники в разнообразных тропических экосистемах окажут значимое воздействие на виды даже всего через два звена. Но после шести лет скрупулезных экспериментов и наблюдений у берегов знаменитых Галапагосских островов Уитман и двое его коллег накопили прямые доказательства того, что там происходит именно такой важный «трофический каскад».
Исследователи сообщают в журнале PLOS ONE, что два вида спинорогов преодолевают постоянное приставание со стороны акул, морских львов и особенно кабанов, чтобы сожрать достаточное количество ежей-карандашей, чтобы уменьшить потребление морских ежей водорослей. Определение таких взаимодействий имеет значение, писали Уитман и его соавторы, потому что, хотя ясно, что люди нарушают нормальное функционирование тропических экосистем по всему миру, часто неясно, как именно. Понимание того, когда и как возникают трофические каскады и кто в них вовлечен, - единственный способ предотвратить или устранить такие проблемы.
«Поскольку человеческая эксплуатация истощает крупных хищников в океане, растет понимание того, что многие хищники оказывают важное косвенное воздействие на виды, находящиеся ниже в пищевой цепи», - написали Уитман и соавторы Франц Смит из Brown and Mark. Новак из Университета штата Орегон.
На Галапагосских островах, которые остаются относительно нетронутыми, новое исследование представляет собой наглядный пример хищника среднего размера, который играет решающую роль в жизнеспособности прибрежных экосистем.
«Спинороги являются «краеугольным камнем» хищников в сублиторальной пищевой сети, способных контролировать обилие морских ежей и, в свою очередь, обилие водорослей», - сказал Уитман. «Спинороги требуют особой охраны из-за их сильного воздействия на функцию экосистемы».
Жевательные карандаши
Не довольствуясь простым наблюдением за экосистемой или выводами, подсчитывая относительную численность различных видов, команда разработала несколько контролируемых экспериментов в период с 2007 по 2013 год, чтобы доказать причинно-следственную связь. Они записали сотни тысяч замедленных фотографий, чтобы задокументировать результаты.
Один из способов, которым они экспериментально распутывали пищевую сеть, заключался в том, чтобы привязывать разных ежей к камням в разных местах, делая их доступной добычей, чтобы поощрять хищнические действия для наблюдения. Эти эксперименты показали исследователям, какие хищники ели ежей и каких ежей предпочитали хищники. Результаты были ясны: два вида спинорогов, тупоголовые и мелкочешуйчатые, поедали всех ежей, и они явно отдавали предпочтение крупным ежам-карандашам. Меньшие карандашные ежи и особенно зеленые ежи остались невредимыми.
Зеленые ежи были настолько нежелательны, что, когда исследователи привязывали их бок о бок с карандашным ежом, рыба почти всегда съедала карандашного ежа. Хотя в один конкретный момент, который оказался двойным исключением, свинья унесла зеленого ежа.
Между тем, исследователи увидели некоторые проблемы, с которыми сталкиваются спинороги при добыче пищи. Почти в половине случаев боровики беспокоили спинорогов, кружили вокруг них и пытались украсть ежей, которых спинорог начал есть. Когда им не удавалось схватить ежей сразу, боровы собирали остатки.
Во второй серии экспериментов ученые немного по-другому ограничивали ежей. Они построили кольца ограждения рядом с ограждающими клетками на подводных скалах. Они позволяют пройти целый год, чтобы обеспечить здоровый рост водорослей внутри. Затем они заселили клетки и некоторые открытые, но огороженные загоны мальчишками. В загонах ежи могли питаться водорослями, но были уязвимы для хищников. В закрытых клетках они могли спокойно обедать. Некоторые из загонов были оставлены пустыми в качестве экспериментального контроля.
«Этот эксперимент был действительно новым, поскольку он был открыт для всего набора рыб, акул, морских львов и других, взаимодействующих со спинорогами, питающимися морскими ежами», - сказал Уитман. «Мы смогли сделать это, потому что мы снимали весь эксперимент с интервалом в одну секунду в промежутке времени - именно так мы обнаружили взаимодействие между кабанами и спинорогами, морскими львами и акулами со спинорогами и так далее».
В ходе эксперимента спинорог снова быстро расправился с запертыми ежами. Они съели 21 из 24 мальчишек менее чем за три часа. Ночь пережили всего три ежа (другие эксперименты показали, что спинороги охотятся днем, и свободно ведущие себя ежи, по-видимому, понимая это, стремятся выйти на поверхность поздним вечером). К следующему утру оставшиеся в живых морские ежи уже завтракали спинорогами.
Морские ежи исчезли так быстро, что не успели оказать реального воздействия на водоросли. Тем временем в клетках ежи могли питаться водорослями. Экспериментальная популяция морских ежей съела около 10 процентов своих водорослей за восемь дней.
Разница в хищничестве ежей в сочетании с разницей в выпасе водорослей предоставила «экспериментальные доказательства трехуровневого чахоточного трофического каскада от спинорога к ежам-карандашам и бентосным водорослям», - пишут исследователи.
Пустые загоны, тем временем, служили доказательством того, что водоросли остались в полном одиночестве и процветали, так что любые водоросли, которые исчезли в клетках, исчезли из-за ежей.
Как и в экспериментах на привязи, жизнь спинорога не была легкой. Их продолжали беспокоить не только кабаны, но и случайные акулы (четыре разных вида появлялись в кадре) и, несколько чаще, голодные морские львы. Один морской лев даже понял, что может подстерегать возле клеток и загонов, чтобы устроить засаду на спинорогов и кабанов.
Эти взаимодействия высших хищников с низшими хищниками, как оказалось, значительно замедляют, но не останавливают, хищничество спинорогов в отношении морских ежей, как обнаружили исследователи с помощью наблюдений и математического моделирования под руководством Новака.
Если эти предварительные результаты подтвердятся дальнейшими исследованиями, они предполагают, что поведение мезохищников (рыб) и высших хищников (морских львов и акул) может играть роль в поддержании здоровой, продуктивной морской экосистемы в Галапагосские острова, потому что они будут косвенно регулировать скорость удаления водорослей ежами-карандашами», - сказал Уитман.
Им приходится терпеть множество домогательств, но у спинорогов есть все необходимое, чтобы совершить редкий экологический подвиг: им удается выполнить трофический каскад в богатой тропической среде.
«Из 16 видов морских ежей-хищников, известных в приливно-отливной зоне Галапагосских островов, только два вида, тупоголовый и мелкочешуйный спинорог, охотились на крупных ежей-карандашей до такой степени, что они ускорили трофический каскад», - пишут авторы.«Следовательно, тупоголовые и мелкочешуйные спинороги являются ключевыми потребителями сублиторальной экосистемы Галапагосских островов, экологически важными для косвенного положительного воздействия на обилие бентических водорослей».
Национальный научный фонд (гранты: OCE1061475, OCE1041454) финансировал исследование.