Прогуляйтесь по пляжу после зимнего шторма, и вы увидите берег, усеянный развалинами гигантских водорослей длиной от 30 до 40 футов - свидетельство воздействия шторма на прибрежные леса водорослей.
Для случайного любителя пляжного отдыха менее очевидно, что происходит с подводными лесами после того, как стихает ярость шторма. Именно этому посвящено новое исследование под руководством Рейн Детмер, аспиранта Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Она разработала математическую модель, описывающую воздействие сильных штормов на экосистемы ламинарии, особенно на морское дно или бентические сообщества. Исследование, опубликованное в Ecology, раскрывает экосистему, изменчивость которой является ключом к ее разнообразию.
Гигантские леса водорослей - чудо подводного мира. Они имеют много общего с земными лесами: пышный подлесок, разнообразная фауна и зеленые кроны, которые тянутся ввысь к солнечному свету. Однако у них есть и черты, совершенно чуждые любому лесному массиву. Гигантские водоросли являются одними из самых быстрорастущих организмов на Земле. В идеальных условиях они способны расти до полуметра в день, а их жизненный цикл намного короче, чем у любого дерева. Кроме того, в отличие от деревьев, присутствие гигантских водорослей может быстро меняться: бури могут выкорчевывать целые леса водорослей в феврале, которые отрастают к сентябрю.
Эти факторы делают лес постоянно меняющимся. «Если у вас есть действительно динамичные основные виды, такие как гигантские водоросли, это может вызвать колебания условий окружающей среды», - сказал Детмер, первокурсник докторантуры в лаборатории Холли Меллер, доцента кафедры экологии, эволюции и Морская биология.провела исследование на последнем курсе Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Детмер, которая проводила исследование на последнем курсе Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, стремилась определить, как штормы влияют на лесную подстилку из водорослей, в которой обитает разнообразное сообщество беспозвоночных и макроводорослей подлеска. С этой целью она и ее соавторы разработали математическую модель сложных взаимосвязей экосистемы. Он учитывает такие факторы, как скорость роста и смертность водорослей и беспозвоночных, этапы жизни гигантских водорослей и количество света, достигающего морского дна.
«Эту модель трудно описать, - сказал соавтор Меллер, - потому что это химера, построенная из 100-летних различных математических экологических моделей, которые Рейн сплел вместе таким творческим способом, который вам нужен, когда вам нужно представить вещи столь же сложные и изменчивые, как лес водорослей."
Модель включает в себя два очень разных набора видов - подлесковые водоросли и сидячие беспозвоночные - и сложный жизненный цикл самих водорослей. Чтобы подтвердить это, Детмер опирался на данные проекта долгосрочных экологических исследований побережья Санта-Барбары (SBC LTER), исследовательского центра Национального научного фонда, которым управляет Институт морских наук UCSB. «Вы не можете построить такие модели без данных за 20 лет», - сказал Мёллер. «И вы не можете найти данные за 20 лет, в любом случае, по лесам водорослей, нигде, кроме как здесь, в SBC LTER».
Движущей силой формирования бентического сообщества является конкуренция между сидячими беспозвоночными, такими как губки и анемоны, и подлесковыми водорослями за пространство. При достаточном количестве солнечного света водоросли могут распространяться и расти быстрее, чем беспозвоночные, но в тени гигантских водорослей беспозвоночные побеждают.
Моделирование воздействия штормов на экосистему показало, что удаление гигантских водорослей может дать водорослям конкурентное преимущество перед беспозвоночными. Более того, если шторм также омывает морское дно, он открывает больше поверхности для двух фракций. А теперь, когда морское дно залито солнечным светом, водоросли могут воспользоваться недвижимостью быстрее, чем их конкуренты.
Что интересно, так это то, что экосистема не остается просто лугом, поскольку время пребывания водорослей на солнце лишь временное. Модель показала, что, когда энергичные гигантские водоросли снова начинают тянуться к поверхности, они смещают конкурентное преимущество обратно в сторону беспозвоночных.
Таким образом, конкурирующие группы организмов с различными потребностями в ресурсах могут сосуществовать в этих системах, причем каждая фракция доминирует в разное время. Меллер сравнивает ситуацию с участниками триатлона. Если один спортсмен - отличный бегун, но плохой пловец, а другой - отличный пловец, но плохой бегун, оба спортсмена смогут сохранить свои результаты в общем зачете.
Результаты подчеркивают влияние динамичных основных видов, таких как гигантские водоросли, на формирование столь же динамичной экосистемы. Напротив, экосистемы с более стабильными видами-основами, такими как секвойи, например, не демонстрируют такого поведения.«Посетители Muir Woods ожидают увидеть лес секвойи независимо от времени года», - сказал Меллер. «Но посетители леса водорослей могут найти редкие водоросли и ковер из донных макроводорослей за одно погружение и вернуться, чтобы увидеть плотный полог водорослей всего через несколько месяцев».
Выводы также подтверждают гипотезу о промежуточных нарушениях, объяснил Детмер, которая утверждает, что существует благоприятная точка с точки зрения частоты и интенсивности нарушений, которая позволит нескольким различным фракциям сосуществовать в экосистеме.
«Гипотеза промежуточного возмущения похожа на версию экологов истории о Златовласке, - сказал Меллер, - где существует частота штормовых возмущений, которая как раз подходит для создания этих сообществ с высоким разнообразием». Другими словами, разные группы организмов процветают при разных режимах беспокойства: частые штормы благоприятствуют светолюбивым макроводорослям, а беспозвоночные лучше себя чувствуют в более стабильных условиях, когда тень гигантских водорослей держит водоросли в узде.
Исследователи ранее изучали влияние штормов на бентические сообщества в SBC LTER. Но модель Детмера добавляет прогностическую силу к выводам, полученным из этих прошлых экспериментов и данных. «Ценность математических моделей заключается в том, что они позволяют не только интерполировать, но также проектировать и экстраполировать», - сказал Мёллер. «Если у вас есть математическая модель, которая работает так же хорошо, как у Рейна, вы можете использовать ее, чтобы начать делать эти прогнозы».
По мере того, как последствия изменения климата становятся все более серьезными, эта прогностическая способность окажется критически важной для оценки здоровья ламинарии и разработки стратегий рационального использования. Ученые предсказывают, что частота и интенсивность штормов будут увеличиваться, что может помешать способности гигантских водорослей восстанавливаться после этих событий. Чаще можно наблюдать состояния с преобладанием макроводорослей, сопровождающиеся снижением численности сидячих беспозвоночных. Это важно, потому что эти животные являются важным источником пищи для хищников, от акул и рыб до выдр и морских звезд. Сокращение этих видов-жертв может привести к сокращению численности и разнообразия видов-хищников.
«Нам помогает только способность количественно определить чувствительность этих систем», - сказал Мёллер. «Это может дать нам представление о том, где находятся их критические точки».