У фитопланктона соотношение размера и численности то же, что и у млекопитающих

При изучении проб морского фитопланктона выяснилось, что чем больше размер клеток того или иного вида водорослей, тем ниже их численность. Удивительно, но это снижение численности происходит пропорционально массе клетки в степени –0,75 — точно такое же количественное соотношение этих величин ранее было описано для наземных млекопитающих. А значит, «правило энергетической эквивалентности» действует и для фитопланктона.

Различные планктонные водоросли под микроскопом при разном увеличении. Фото с сайтов www.leeric.lsu.edu (вверху) и www.imr.no (внизу; © Tonje Castberg, IMR)

Различные планктонные водоросли под микроскопом при разном увеличении. Фото с сайтов www.leeric.lsu.edu (вверху) и www.imr.no (внизу; © Tonje Castberg, IMR)

Крупные организмы не могут быть столь же многочисленны, как мелкие. Слонов в расчете на единицу площади их местообитания существенно меньше, чем антилоп, а антилоп меньше, чем мышей-полёвок. Уже четверть века тому назад американский исследователь Джон Дамут (John Damuth) на большой выборке млекопитающих, включающей множество видов самого разного размера, выяснил ( Damuth, 1981, Damuth, 1987), что между плотностью популяций N и массой тела взрослых особей W, несмотря на большой разброс данных, существует четкая отрицательная зависимость, которую можно выразить уравнением:
    N = aWb,
где a — показатель высоты пересечения линии регрессии с осью ординат, а b — показатель наклона линии регрессии. Численное значение b равно примерно –0,75 (или попросту –3/4). Иными словами, чем крупнее вид, тем меньше плотность его популяции, но зависимость эта нелинейная: более крупным животным в расчете на единицу массы требуется меньше пространства обитания чем мелким.

Когда данное соотношение было обнаружено, возник невольный соблазн сопоставить его с давно известной зависимостью интенсивности обмена (дыхания) организма R от массы тела W. Еще в 30-е годы ХХ века было установлено, что данная связь хорошо описывается степенной функцией:
    R = aWb,
причем если коэффициент a может быть разным для разных групп организмов (например, для одноклеточных, беспозвоночных, теплокровных позвоночных), то показатель степени b варьирует слабо и равен +0,75 (или +3/4). Данная зависимость говорит о том, что энергетические затраты организма (и, соответственно, его рацион) возрастают нелинейно при увеличении веса: более крупные организмы на единицу массы тела расходуют энергии меньше, чем мелкие. Это хорошо знает каждый, у кого есть кошка и кто хотя бы мысленно сравнивал ее рацион (в процентах от ее веса) со своим собственным (также в процентах от веса).

Распределение хлорофилла (показателя биомассы фитопланктона) по акватории Атлантического океана. Усредненная картина для года. Окрашенные в синий цвет центральные части океана наиболее бедны фитопланктоном. Более высокая концентрация показана зеленым цветом, еще более высокая — желтым, а самая высокая — оранжевым. Прибрежные районы всегда богаче биогенными элементами и, соответственно, фитопланктоном. По данным NASA. Часть карты с сайта www.nasa.gov

Распределение хлорофилла (показателя биомассы фитопланктона) по акватории Атлантического океана. Усредненная картина для года. Окрашенные в синий цвет центральные части океана наиболее бедны фитопланктоном. Более высокая концентрация показана зеленым цветом, еще более высокая — желтым, а самая высокая — оранжевым. Прибрежные районы всегда богаче биогенными элементами и, соответственно, фитопланктоном. По данным NASA. Часть карты с сайта www.nasa.gov

Зная количественные соотношения массы тела организмов и плотности их популяций, а также массы тела и энергетических затрат, можно выяснить, как зависит потребление энергии популяциями разных животных, обитающих на определенной площади, от средней массы их тела. Для этого надо взять произведение R (индивидуальных затрат организма) на N (плотность популяций, то есть число особей на единицу площади). Обе величины можно выразить как функции веса организма, обе зависят от него в степени 3/4, но с разным знаком. Соответственно,
    W–3/4 ×  W+3/4 = W0 = 1.
Иными словами, энергетические траты животных разного размера на единицу площади тех мест, где они обитают, оказывается одинаковыми. Это и есть «правило энергетической эквивалентности» (energetic equivalence rule). Согласно ему, слоны, антилопы и полёвки с одного гектара потребляют примерно одно и то же количество пищи.

Применимо ли данное эмпирическое правило, выведенное для млекопитающих, к другим группам организмов, например к морскому фитопланктону (совокупности микроскопических водорослей и цианобактерий, взвешенных в толще воды)? Такой вопрос задал Педро Серменьо (Pedro Cermeño) с факультета морских исследований Университета г. Виго (Испания) в своей работе, выполненной совместно с коллегами из того же университета и Плимутской морской лаборатории (Великобритания). Материалом для исследования послужили 222 пробы фитопланктона из открытой части Атлантического океана (по четырем меридиональным разрезам от 48°С.Ш. до 50°Ю.Ш.) и 448 проб прибрежного фитопланктона (из Ла-Манша, недалеко от Плимута). Условия этих районов существенно различаются. В открытом океане по сравнению с прибрежными водами почти всегда наблюдается резкая нехватка биогенных элементов (прежде всего азота и фосфора в минеральной, пригодной для использования фитопланктоном, форме).

Зависимость численности разных фитопланктонных организмов (логарифм числа клеток в одном миллилитре) от размера клеток (логарифм объема клетки в кубических микрометрах). Верхний график — воды Ла-Манша (англичане его называют Английским каналом), нижний — воды открытой части Атлантического океана. Корреляция в обоих случаях очень высокая, но наклон линий регрессии примерно один и то же, значимо не отличающийся от –0,75. Рисунок из обсуждаемой статьи в Ecology Letters

Зависимость численности разных фитопланктонных организмов (логарифм числа клеток в одном миллилитре) от размера клеток (логарифм объема клетки в кубических микрометрах). Верхний график — воды Ла-Манша (англичане его называют Английским каналом), нижний — воды открытой части Атлантического океана. Корреляция в обоих случаях очень высокая, но наклон линий регрессии примерно один и то же, значимо не отличающийся от –0,75. Рисунок из обсуждаемой статьи в Ecology Letters

В данном случае содержание нитратного азота в открытой части Атлантического океана было ниже 0,5 микромолей на литр, а в Ла-Манше всегда выше 0,5 микромолей (иногда достигая 10 микромолей на литр). Поскольку нехватка биогенных элементов — основной фактор, ограничивающий развитие фитопланктона, неудивительно, что биомасса фитопланктона оказывается существенно разной в двух обследованных районах. Содержание хлорофилла «а» (как показатель биомассы) в океанических водах — менее 0,5 мг/м3, в Ла-Манше — от 0,5 до 9,0 мг/м3.

Исходя из разной обеспеченности этих районов биогенными элементами, авторы обсуждаемой работы предполагали, что в океанических водах фитопланктон должен быть представлен более мелкими клетками, чем в прибрежных. Ведь чем мельче клетки, тем выше отношение площади поверхности к объему, а соответственно, лучше условия поглощения растворенных минеральных веществ. Отсюда следовало, что чем меньше обеспеченность фитопланктона биогенными элементами, тем большее преимущество имеют виды, представленные мелкими клетками. Соответственно, наклон линии регрессии, характеризующей зависимость плотности популяции от размера (объема) клеток, должен быть круче в океанических районах, чем в прибрежных. Именно эту гипотезу и проверяли авторы.

Обнаружилось, однако, что, хотя показатель b и имеет большее отрицательное значение в случае океанического фитопланктона (–0,75, а для прибрежного –0,71), различие между двумя районами статистически незначимо. Очевидно, что крупные виды имеют какие-то свои преимущества, позволяющие им быть достаточно эффективными и в океанических водах. Но самое интересное, что показатель b значимо не отличается от –0,75. Иными словами, правило энергетической эквивалентности для морского фитопланктона так же справедливо, как и для наземных млекопитающих.

Источник: Pedro Cermeño, Emilio Marañón, Derek Harbour, Roger P. Harris. Invariant scaling of phytoplankton abundance and cell size in contrasting marine environments // Ecology Letters. 2006. V. 9. P. 1210. doi: 10.1111/j.1461-0248.2006.00973.x.

Cм. также:
1) J. Damuth. Interspecific allometry of population density in mammals and other animals: the independence of body mass and population energy-use // Biol. J. Linn. Soc. 1987. V. 31. P. 193–246.
2) Andrew P. Allen, James H. Brown, James F. Gillooly. Global biodiversity, biochemical kinetics, and the energetic-equivalence rule // Science 2002. V. 297. P. 1545–1548.
3) Чтобы свести баланс азота, надо правильно посчитать фитопланктон, «Элементы», 15.06.2006.

Алексей Гиляров

Источник :  elementy.ru

Ещё в разделе

Как правильно выбрать партнера (полезные советы для девушек)

На какие признаки обращают внимание девушки при выборе партнера? С эволюционной точки зрения наиболее важными являются его здоровье, которое определяется качеством его генов, и его готовность к заботе о потомстве. Но как оценить эти важные характеристики

Лекарство от наследственных болезней будут выделять из паразитического жгутиконосца

Индийские ученые показали, что белковый комплекс RIC, выделенный из одноклеточных паразитических жгутиконосцев лейшманий, нормализует обмен веществ в клетках людей, страдающих тяжелыми наследственными заболеваниями — так называемыми «митохондриальными бол

Обитатели земных недр не нуждаются в солнечном свете

Глубокая скважина, пробуренная южноафриканскими старателями, позволила ученым обнаружить подземное микробное сообщество, которое просуществовало в полной изоляции от остальной биосферы как минимум три миллиона лет. В сообществе преобладают бактерии, получ

В подводном грязевом вулкане обнаружены неизвестные микробы

Большой грязевой вулкан километрового диаметра, расположенный на дне Баренцева моря, оказался населен тремя типами микробных сообществ, живущих за счет окислени

Люди будут выращивать дома на деревьях

В будущем люди смогут вырастить свой дом, не прибегая к услугам строительных подрядчиков. Профессия строителя исчезнет навсегда, считают архитектор Митчелл Джоачим и его единомышленники.

Фекалии домашних клещей разрушают защитные свойства кожи человека

Клещи, обитающие в домашней пыли, оставляют не только следы. Испражнения пылевых клещей, попадающие на нашу кожу, могут делать ее более уязвимой для различных ал лергенов и раздражителей, говорится в новом исследовании.

Чем больше у жуков рога, тем меньше у них яички

Исследования навозных жуков подкрепляют стереотип о мужчинах с большими спортивными машинами. Согласно новому исследованию, самцы жуков, которые щеголяют сам ыми устрашающими и внушительными рогами, расплачиваются за это самыми крохотными яичками.

Для чего медузам сложные глаза?

Кубомедузы отличаются активным охотничьим поведением и хорошо развитыми камерными глазами, сходными по строению с глазами позвоночных. Однако выяснилось, что фокусное расстояние превышает расстояние до сетчатки, поэтому глаз не может видеть мелких деталей

Разгадана тайна микроба, не боящегося радиации

Уникальная способность микроба Deinococcus radiodurans переносить огромные дозы радиации основана на высокоэффективной системе репарации (починки) ДНК.

Обнаружено свидетельство сосуществования неандертальцев и людей современного вида

Исследователи под руководством доктора Клайва Финлэйсона (Clive Finlayson) из Гибралтарского музея (Gibraltar Museum), обнаружили в пещерах Гибралтара более 240 каменных орудий и других артефактов, оставленных неандертальцами (Homo neanderthalensis) - вид

Под Землей обнаружено огромное количество новых живых существ

Под Землей обнаружено огромное количество новых живых существ

К открытию ежегодной конференции Американского геофизического союза ученые объявили о своем открытии. «Земли населяет огромное количество живых существ».

3,5 млрд лет оксигенного фотосинтеза

3,5 млрд лет оксигенного фотосинтеза

История фотосинтеза древнее, чем предполагалось ранее, считают авторы статьи Early Archean origin of Photosystem II (Раннее архейское происхождение фотосистемы II), опубликованной в журнале Geobiology.

Клетки крови человека превратили в стволовые клетки нервной системы

Клетки крови человека превратили в стволовые клетки нервной системы

Ученые из Немецкого центра исследования рака в Хайдельберге перепрограммировали клетки крови человека и фибробласты в стволовые клетки нервной системы гомогенного типа.

Дельфины устанавливают между собой график охоты

Дельфины устанавливают между собой график охоты

9-летнее исследование выявило необычное поведение дельфинов (рода Афалины), обитающих у побережья Словении. В пределах одной популяции этого вида животные разделились на две группы, которые избегают контакта, охотясь в разное время дня - социальная стратегия, не известная у морских млекопитающих.

Оказывается, поведение пауков изучено еще не полностью

Оказывается, поведение пауков изучено еще не полностью

Как известно, представители рода Черных вдов отличаются своим уникальным поведением, которое предвещает так называемый половой каннибализм: после копуляции самка поедает самца.

У венериной мухоловки могут быть «друзья»

У венериной мухоловки могут быть «друзья»

Американские ученые из штата Северная Каролина выяснили, какие насекомые опыляют венерину мухоловку. В ходе этого эксперимента биологи заметили одну интересную особенность – растение не поедает своих опылителей.

Жуки-бомбардиры могут спасаться даже после съедения

Жуки-бомбардиры могут спасаться даже после съедения

Японские ученые обнаружили уникальную способность жуков-бомбардиров спасаться из желудка проглотившей их жабы. Как известно, жуки-бомбардиры принадлежат к подсемейству Brachyninae семейства жужелиц. Свою известность насекомые заработали благодаря методу активной обороны.

Раскрыты новые способности хамелеонов

Раскрыты новые способности хамелеонов

Ученые из Германии смогли доказать, что у некоторых видов хамелеонов гребни и бугорки на теле способны светится синим цветом в ответ на ультрафиолетовое излучение. Данное явление называется флуоресценцией. Иногда такое свечение можно встретить у водных организмов, значительно реже оно замечается среди наземных животных.

Акулы тоже могут «сидеть» на диете

Акулы тоже могут «сидеть» на диете

Ученым из Калифорнийского университета в Ирвайне при помощи экспериментов удалось подтвердить, что малоголовая молот-рыба может прекрасно себя чувствовать употребляя до 90% исключительно растительной пищи.

Станет ли человек бессмертным?

Станет ли человек бессмертным?

Группа ученых из Великобритании и Голландии провела исследование, целью которого является детальное изучение среды кишечника. В результате проведенного эксперимента биологам удалось увеличить продолжительность жизни червей и мух. Осуществить вышесказанное ученые смогли путем уменьшения активности фермента, который вырабатывается у всех живых существ и, люди, в данном случае, не стали исключением.

Оценка:

Пока комментариев нет