Тимченко А., Процюк Я. Ледовая жизнь Арктики

Когда говорят о живом мире Арктики, зачастую представляют белых медведей, оленьи пастбища, лежбища тюленей и моржей, но мало кто знает, какая разнообразная жизнь скрывается вольдах Северного Ледовитого океана.

Обитатели морского льда на протяжении долгого времени оставались вне поля зрения исследователей. О том, что морские льды Арктики не безжизненны, стало известно только с середины XIX века. Основным объектом исследования в то время была ледовая флора. Немецкий натуралист Христиан Эренберг (Christian Ehrenberg) первым описал диатомовые водоросли из арктических многолетних льдов. А в конце XIX века во время трёхлетнего дрейфа норвежской полярной экспедиции (1893—1896 годы) на шхуне «Фрам» в Северном Ледовитом океане норвежский полярный исследователь Фритьоф Нансен впервые обнаружил простейших. Также он зафиксировал «цветение» диатомовых водорослей, которые придавали поверхности льда коричневато-красный оттенок, и сообщил о скоплении водорослей в снежницах. После этих открытий изучением ледовых водорослей и фитопланктона стали заниматься многие полярные исследователи и биологи во всём мире.

Гидробиолог и полярный исследователь Пётр Петрович Ширшов, будучи участником первой советской научно-исследовательской экспедиции на дрейфующей станции «Северный полюс-1» (СП-1, 1937 год), впервые обратил внимание на высокую продуктивность в прикромочной ледовой зоне и положил начало изучению сообществ, связанных с морским льдом.

Северный Ледовитый океан — самый маленький и мелководный океан нашей планеты. Его площадь составляет около 14 млн км2 — это всего лишь 2,8% общей площади и 1,3% объёма воды Мирового океана. Его средние глубины — приблизительно 1200 м, а максимальная глубина 5527 м зафиксирована в проливе Фрама (впадина Моллой, Гренландское море). Северный Ледовитый океан полностью расположен в Северном полушарии и окружён берегами Евразии и Северной Америки. Он сообщается с Тихим океаном через узкий и мелководный Берингов пролив и с противоположной стороны с Атлантическим океаном через широкий и глубоководный пролив Фрама. Большую часть рельефа дна океана занимает материковый шельф (> 45% площади дна), который расположен в окраинных арктических морях. По физико-географическим особенностям и топографии дна в пределах Северного Ледовитого океана выделяют три акватории: Северо-Европейский, Арктический и Канадский бассейны.

С 1969 года на станции «Северный полюс-18» (СП-18) начались первые в мире погружения с аквалангом под многолетний морской лёд толщиной от 2 до 5 м по пути дрейфа в Арктическом бассейне. Во время дрейфа станции СП-22 (1980 год) были обнаружены «подлёдные леса», представленные диатомовыми водорослями Melosira arctica. Обширный материал по криофлоре на основе многолетних наблюдений получили и обобщили Пётр Иванович Усачёв и Игорь Алексеевич Мельников.

Такие находки микроскопических организмов натолкнули учёных на мысль о том, что морской лёд представляет собой среду, где происходят сложные взаимодействия между теми, кто производит органическое вещество, и теми, кто его потребляет и разлагает. Но только с середины XX века биологи начали изучать разнообразную ледовую и подлёдную фауну и описывать новые виды, что стало следующим важным шагом в исследовании сообщества морского льда.

Среди организмов, которые живут в тесной связи со льдом, есть виды, которые были впервые обнаружены и описаны исключительно из арктических морских льдов. Например, в многолетних льдах центральной части Арктики (СП-22, 1981 год) И. А. Мельников впервые обнаружил живых нематод (круглых червей), которых впоследствии нематодолог Алексей Валерьевич Чесунов описал как новый ледовый вид — Theristus melnikovi. Позднее А. В. Чесунов вместе с Францом Риманом (Franz Riemann, Германия) и Дарьей Андреевной Портновой описали ещё три новых вида нематод из сезонных льдов Белого и Лаптевых морей.

В 2008 году международная группа морских биологов описала новый вид и род гидроидного полипа Sympagohydra tuuliиз морских прибрежных льдов моря Бофорта.
Несколько исследователей, в числе которых Игорь Алексеевич Мельников, независимо друг от друга установили тесную связь бокоплавов и веслоногих ракообразных со льдом — одни, изучая керны льда, другие — с помощью ловушек и водолазных погружений. А благодаря созданию подлёдного трала удалось оценить пути миграции полярной тресочки Boreogadus saida до 87,5° с. ш.

ФОРМИРОВАНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА

Чтобы понять, где же именно проводят свою жизнь ледовые организмы, следует познакомиться с самой средой обитания.

В Арктике морские льды представлены толстыми многолетними льдами, расположенными в Центральном Арктическом бассейне, прилегающем к Канадскому Арктическому архипелагу, Гренландскому побережью и морю Бофорта, и менее мощными, ежегодно образующимися сезонными однолетними льдами в окраинных арктических морях. Некоторые моря — места генерации новых льдов, которые питают Центральную Арктику. Однако прежде чем стать многолетним, морской лёд должен не только преодолеть огромное расстояние и не растаять, но и пройти несколько стадий развития.

Морской лёд, в отличие от пресноводного, образующегося на поверхности рек, озёр, водохранилищ и прудов, представляет собой неоднородное тело, состоящее из кристаллов пресного льда, жидких и газообразных включений и посторонних примесей. Соотношение этих компонентов зависит от условий образования льда и последующих происходящих в нём процессов.

Жидкая фаза состоит из вкраплений ячеек воды с высокой концентрацией солей или рассола, который просачивается между кристаллами льда и пронизывает всю его толщу в виде капилляров, канальцев, ячеек, полостей и каверн. По мере роста льда в результате миграции рассола в нём формируются стоковые каналы различной солёности. Эти пространства и служат местообитанием для разнообразных организмов.
Когда температура опускается ниже точки замерзания, в толще воды формируются мелкие кристаллы льда, которые, разрастаясь, смерзаются и всплывают на поверхность, образуя начальную форму льда — игольчатый лёд. Затем в зависимости от гидрометеорологических условий при большой концентрации ледяные иглы образуют так называемое ледяное сало, при выпадении снега формируется снежура, при ветре и волнении — блинчатый лёд. Также ледяные кристаллы могут скапливаться в толще воды и на морском дне, образуя внутриводный и донный лёд.

Следующие возрастные категории — это ниласовые льды (толщина до 10 см), молодые льды (толщина до 30 см) и однолетние льды толщиной более 30 см. Льды, не растаявшие в течение одного лета и достигшие толщины более 2—3 м, переходят в разряд старых льдов, которые, в свою очередь, подразделяются на остаточный однолетний, двухлетний и многолетний лёд. При образовании торосов — нагромождений обломков льда при сжатии ледяного покрова — толщина льда может достигать 25—30 м. Также на процесс образования и строения льда заметное влияние оказывает снежный покров.

Под воздействием ветра и течений льды постоянно находятся в движении, или дрейфуют, увлекая за собой нижележащие слои воды. Движение льда значительно изменяет распределение толщины ледяного покрова, его местоположение и структуру. В прибрежных районах арктических морей образуются припайные льды — так называют прикреплённый к берегу лёд. По истечении зимы (срока своего существования) припай может раскалываться на отдельные льдины и дрейфовать в другие акватории или стаивать на месте.

СООБЩЕСТВО МОРСКОГО ЛЬДА

На данный момент в составе комплекса ассоциированных со льдом организмов насчитывают более двух тысяч видов, среди которых были обнаружены вирусы, бактерии, археи, микроводоросли, грибы, простейшие и беспозвоночные животные.

Бактерии и вирусы, адаптированные к отрицательным температурам, населяют всю толщу льда и используют его в качестве среды обитания, где активно взаимодействуют между собой, что непосредственно влияет на функционирование всей экосистемы морского льда. Среди клеток бактерий во льду доминируют кокки, грамотрицательные бактерии, альфа-протеобак- терии. Большинство архей морского льда относятся к типу Nitrososphaerota.

Как правило, комплекс, ассоциированный со льдом, состоит из группы организмов, которые частично связаны со льдом, то есть реализуют там лишь часть своего жизненного цикла.
В морском льду часто проявляется слоистость, обусловленная периодической сменой условий нарастания льда. Условно лёд подразделяется на три различные среды обитания: поверхностный слой (криоэпонтический), промежуточный слой (криоинтерстициальный) и нижняя поверхность льда (криопелагический).

Верхняя часть льда в течение года сильно подвержена изменчивым процессам в атмосфере и сезонным колебаниям солнечной радиации, что влияет на структуру жизненных пространств внутри льда. Характерный элемент верхнего слоя льда — снежный покров, а во время активного таяния летом — очаги талой воды (снежницы). Сообщество поверхностного слоя многолетнего льда в основном состоит из групп таких мелких организмов, как водоросли и простейшие. Среди них доминирующие группы пресноводных зелёных и золотистых водорослей, которые попадают в океан с речным стоком или речными льдами, а также могут находиться в составе аэрозолей, выпадающих со снегом на поверхность морских льдов. Во время летнего таяния в снежницах можно также обнаружить диатомовые водоросли.

Как правило, «цветение» ледовых водорослей начинается под снегом и наблюдается на границе лёд-снег, а затем охватывает весь снежный покров.
В летний период можно наблюдать необычную красноватую или розовую окраску на поверхности снега, которая обусловлена массовым размножением водорослей-криофилов. Многоклеточных животных в верхнем слое многолетних льдов до сих пор не удалось обнаружить, однако они могут встречаться на поверхности льда и даже в ледово-снежном покрове на других стадиях развития, например, в молодых и однолетних льдах. А затем, по мере роста льда, мигрировать по стоковым каналам вместе с рассолом в нижележащие слои — в более благоприятную среду обитания.

Опускаясь ниже в толщу льда, можно наблюдать смену доминирующего комплекса: среди всех групп водорослей начинают преобладать холодноводные комплексы ледовоморских одноклеточных и колониальных диатомовых водорослей. Также там можно встретить синезелёные и зелёные водоросли, динофлагеллят и силикофлагеллят. Многочисленные виды диатомей, зафиксированные во льдах Северного Ледовитого океана, попадают туда главным образом в процессе формирования льда из морской воды и служат концентрированным питательным кормом как для животных, населяющих морской лёд, так и для организмов, обитающих подо льдом, в толще воды и на дне.

Животные, населяющие каналы в толще льда, относятся к криоинтерстициальной фауне. Считается, что колонизация льда возможна только теми животными, поперечное сечение тела которых не превышает максимально наблюдаемый диаметр капилляров — 250 мкм. Из простейших в криоин- терстициали чаще встречаются инфузории, хоанофлагелляты, амёбы и фораминиферы. Типичные представители обитающих там животных — круглые и плоские черви, коловратки, веслоногие ракообразные и бокоплавы.

Некоторые рачки могут аккумулироваться в морском льду на ювенильных стадиях, а затем по мере роста покидать стоковые каналы. В толще льда также можно встретить стрекающих, морских клещей, ракушковых раков и личинок донных животных, например, полихет, усоногих рачков, двустворчатых и брюхоногих моллюсков. Вертикальное распределение животных неравномерно в толще льда, по большей части они сконцентрированы в нижнем 10—20-сантиметровом слое. Предпочтение нижних слоёв во многом связано со значительной концентрацией там питательных веществ, поступающих из подлежащего слоя морской воды.

В подлёдном слое наблюдается самое большое разнообразие организмов — существование их популяций тесно связано с нижней поверхностью льда. Подлёдную поверхность колонизируют преимущественно диатомовые водоросли и динофлагелляты. Стоит упомянуть диатомей Melosira arctica, представляющих колониальную форму водорослей. Клетки мелозиры, соединяясь вместе, образуют нитевидные колонии длиной до 1—2 м, которые прикрепляются и свисают длинным шлейфом с подводной стороны морских льдов.

В состав криопелагической фауны входят преимущественно пелагические, эпибентосные и бентопелагические животные, образующие существенную часть зоопланктонного сообщества. Нижняя поверхность льда служит для них местом питания, нагула и размножения, а каналы и полости различного размера во льду могут быть надёжным укрытием от хищников. Массовая группа криопелагической фауны — веслоногие ракообразные,бокоплавы, мизиды, остракоды, изоподы, эуфаузииды и декаподы. В подлёдном слое воды также можно встретить брюхоногих моллюсков, многощетинковых червей, щетинкочелюстных, стрекающих, оболочников, гребневиков и рыб.

ОТ МАЛА до ВЕЛИКА

Ледовое сообщество — важный компонент пищевой цепи в Арктике. По разным оценкам, ледовые водоросли производят приблизительно от 16 до 50% общей первичной продукции. Водоросли во льду и фитопланктон в нижележащей толще воды представляют собой питательный корм для ледовых и пелагических растительноядных организмов. Кроме того, водоросли также могут оседать на морское дно, где они служат источником питания для бентосных организмов. Однако самые активные потребители криофлоры, как в толще льда, так и подо льдом, — простейшие и беспозвоночные животные. В пищевой цепи эти организмы играют ключевую роль в передаче энергии, главным образом для ракообразных и рыб. А те, в свою очередь, представляют собой незаменимый кормовой ресурс для более крупных хищников — морских млекопитающих и птиц.
Морской лёд в Арктике оказывает сильное влияние на условия обитания и жизнедеятельность организмов, от водорослей до белых медведей, а также на климат нашей планеты. Ведь лёд — чувствительный индикатор климатических изменений.
Находясь в условиях постоянного движения и меняющегося температурного градиента между холодной атмосферой и относительно тёплым океаном, лёд непрерывно изменяет свою толщину из-за стаивания в летний период и компенсационного нарастания в зимний. Водообмен и сильный пресноводный сток сибирских рек также могут существенно влиять на ледовый режим. В последние десятилетия отмечается устойчивая тенденция к сокращению площади и толщины ледяного покрова Северного Ледовитого океана и изменению соотношения многолетних и однолетних льдов. Таким образом, перемены , происходящие в сложной системе «океан-лёд-атмосфера», обуславливают трансформации в ледовой среде и перестройки в функционировании биологических сообществ, жизнь которых непосредственно связана с морским льдом.

В некоторых арктических регионах из-за изменения возрастного состава ледяного покрова отмечается снижение разнообразия и биомассы отдельных видов ледовой флоры и фауны. Истончение льда и увеличение продолжительности времени свободной ото льда водной поверхности привели к уменьшению доли ледовых водорослей в первичной продукции и преобладанию фитопланктона. Такие пертурбации в Арктике могут сказываться на многих организмах.

Вероятны проникновение чужеродных видов- вселенцев, изменения в ареалах обитания, в функционировании сообществ и звеньев пищевой цепи, появление новых хищников, конкурентных видов, новых инфекционных и инвазионных заболеваний, а также изменения в поведении животных, которые способны оказать огромное влияние на отдельные популяции и виды в целом. Более того, арктическим обитателям уже приходится взаимодействовать с видами, которые проникают из Северной Атлантики и Тихого океана.

Климатические изменения в Арктике ярко отражаются не только на ледовой биоте, но и на крупных млекопитающих. Например, моржи вынуждены всё чаще перемещаться вслед за отступающей кромкой льда в более глубоководные и удалённые регионы. Это влечёт за собой повышение у них энергетических затрат и трудности при добыче корма. Большинство представителей настоящих тюленей вскоре столкнутся с необходимостью выбора новых мест размножения. Сокращение площади морского льда воздействует на виды, использующие лёд для миграций, тем самым разобщая наземные популяции.

Углублённое и регулярное изучение процессов, происходящих в Арктике, значительно улучшит понимание того, как функционирует ледовое сообщество, и откроет возможности для прогнозирования влияния изменения климата на эту уникальную систему.

Анна ТИМЧЕНКО, Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН
Ярослава ПРоцюк, Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт.

СЛОВАРИК
Бентопелагические организмы — растения и животные, обитающие в придонных слоях воды.
литораль — участок берега, который затопляется морской водой во время прилива и осушается во время отлива.
Пелагические организмы — растения и животные, обитающие в толще или поверхностном слое воды.
Первичная продукция — величина в экологии, характеризующая прирост количества органического вещества из неорганического за определённый период времени в результате жизнедеятельности автотрофных организмов (растительных организмов и хемобактерий в процессе фото- и хемосинтеза).
снежницы — скопления на льду талой воды, появляющиеся главным образом благодаря таянию снега и на более поздних стадиях также вследствие таяния льда. В начальной стадии представляют собой пятна пропитанного водой снега.
Эпибентос — совокупность организмов, обитающих на поверхности донных осадков.