Природа играет с речными экосистемами в «Слабое звено»

Живые организмы постоянно едят друг друга. Все экосистемы держатся на пищевых цепях – последовательностях видов, которые служат пищей для других. Так энергия передается от растений, производящих ее путем фотосинтеза, до вершины – крупных хищников. Экологам известно, что длина пищевой цепи (число составляющих ее звеньев) зависит от величины энергетического потока (то есть от количества поступающей солнечной энергии), размера экосистемы и стабильности условий окружающей среды. Но механизмы последних двух зависимостей до сих пор были неясны, пишут авторы публикации в Science Express Джон Сабо (John Sabo) из Университета штата Аризона (Arizona State University), а также его коллеги из Университета Минессоты (University of Minnesota) и Йельского университета (Yale University).

Чтобы понять, как влияют на экосистему оба фактора, ученые исследовали 36 рек Северной Америки -- от великих Миссиссипи и Колорадо до небольших рек и речек. Среди последних были как постоянные, так и пересыхающие в жаркий сезон. Размер экосистемы определяли по двум показателям: величине бассейна реки и площади поперечного сечения (брали среднее из нескольких измерений в разных местах). Для каждой реки характеризовали гидрологический режим – использовали данные по среднесуточному стоку и его сезонным колебаниям, а также подсчитали величину экстремальных изменений стока, происходящих по время засухи или наводнений. Энергетические ресурсы экосистемы определяли по биомассе водных растений.

Изотопы метят хищников и жертв

В каждой реке биологи отловили представителей местной фауны: хищных и травоядных рыб, моллюсков-фильтраторов, червей, ракообразных и пр. и отправили на анализ в лабораторию. Методом масс-спектрометрии в тканях измеряли соотношение стабильных изотопов углерода и азота. Место того или иного водного организма в пищевой цепи определяли по количеству изотопов азота ¹⁵N. Известно, что доля тяжелого азота в тканях живых организмов увеличивается по сравнению с его содержанием в воздухе и с каждым звеном по пищевой цепи возрастает на 3,4 ‰ (промилле, тысячная доля). То есть в тканях животного доля изотопа ¹⁵N на 3,4 ‰ выше, чем в тканях растения, которое служило ему пищей, и так далее.

Нестабильность укорачивает пищевые цепи

В пищевые цепи речных экосистем входили от трех до пяти звеньев. Биологи вычислили для каждой реки максимальную длину пищевой цепи, усреднив ее по разным участкам, и проанализировали ее соотношение с параметрами реки. Выяснилось, что максимальная длина пищевых цепей положительно коррелирует с величиной бассейна реки и с площадью сечения. То есть она тем больше, чем больше размер экосистемы. Отрицательная корреляция отмечалась с нестабильностью гидрологического режима. В реках, испытывающих сильные колебания стока (пересыхания и наводнения), максимальная длина пищевых цепей короче, чем в реках со стабильным режимом. А вот от энергетических ресурсов, то есть, от обилия растительности, длина пищевых цепей практически не зависела.

Избыток или недостаток воды – результат один

Интересно, что противоположные явления -- наводнения и засухи -- приводят к одному и тому же результату. Впрочем, укорачиваются пищевые цепи по-разному.

«Большая вода упрощает пищевую цепь, убирая из нее средние звенья, -- объясняет Джон Сабо. -- Река разливается, привычной еды становится меньше, и хищники переходят на питание организмами более низкого уровня, чем обычно. Представьте, что лев начинает есть траву вместо того, чтобы питаться газелями, которые едят траву. А во время засухи больше всего страдают высшие хищники. Даже если река не пересыхает полностью, условия в ней ухудшаются. Крупные хищники зачастую не могут перенести высокой температуры и снижения содержания кислорода. Поэтому пищевая цепь укорачивается сверху».

Не случайно в больших реках с более стабильным гидрологическим режимом на высшей ступени пищевой цепи находились крупные хищные рыбы, а в мелких реках, испытывающих сезонные пересыхания, беспозвоночные или более мелкие рыбы. Влияние частичного пересыхания на экосистему реки может быть долговременным: некоторые реки пережили засуху 5-10 лет назад, но до сих пор в них не появились крупные рыбы. После наводнений экосистемы восстанавливаются быстрее, в среднем за год.

Наводнения и засухи, подчеркивают ученые, становятся в последнее время более частыми из-за изменений климата, но могут быть вызваны и деятельностью человека. Гидрологический режим изменяется при постройке гидросооружений и при чрезмерном заборе воды для полива, особенно в засушливые годы.

Результаты работы, считают авторы, будут полезными, в частности, для оценки рыбных ресурсов и планирования речного рыболовства.