Где, как и почему раки зимуют

На Западе есть модный конкурс «Станцуй свою диссертацию». К видео постановкам мы пока не готовы, а вот попробовать передать содержание диссертации в сжатом виде можно попытаться.

Среди самых многочисленных организмов на нашей планете особое место занимают представители планктона. Планктон — это всё, что плавает в воде. В первую очередь, одноклеточные водоросли и поедающие их мелкие рачки. Если зачерпнуть ведро воды в центре любого озера, то в нем мы обнаружим десятки тысяч клеток разных видов одноклеточных водорослей и десятки, а то и сотни рачков множества видов. Для экологии, как науки, такое разнообразие видов в, казалось бы, однородной среде всегда было загадкой. Почему? Точно так же как законы Ньютона лежат в основе современной физики, в основе экологии лежит закон (или принцип) Гаузе.

Почти 100 лет назад советский микробиолог Георгий Гаузе сформулировал свой знаменитый принцип: «два вида не могут устойчиво существовать в ограниченном пространстве, если численность обоих лимитирована одним жизненно важным ресурсом». Другими словами, два вида не смогут долго жить вместе в одной банке, если они едят один корм. Рано или поздно более приспособленный вид вытеснит менее приспособленный.

Кому-то это утверждение может показаться тривиальным. Тем не менее, это настоящий закон природы, влияние которого на современную экологию трудно переоценить. Теперь становится понятно, почему для ученых является загадкой обитание сотен разных видов планктона в озерах или океанах. Все эти виды, казалось бы, едят одно и то же и живут «в одной банке», но, тем не менее, проходят миллионы лет, а более приспособленный вид не вытесняет всех остальных.

Весь предыдущий абзац это необходимая присказка, а сейчас начинается сказка, а точнее содержание одной конкретной диссертации – первой работы защищенной на днях под моим руководством. В тексте речь пойдет о хоббитах рачках.

Нужен секс или не нужен секс?

Озерные рачки обладают одним чудеснейшим свойством – они могут размножаться двумя способами. Когда в озере все хорошо, самки клонируют сами себя (размножаются бесполо). Каждые несколько суток самка рождает несколько своих точных копий – самочек. Те в свою очередь быстро становятся половозрелыми и занимаются тем же самым.

Такая идиллия длится недолго. Как только условия жизни ухудшаются, им вдруг приспичивает заняться сексом. Сначала одно поколение рожает для этого самцов (можно сказать мамочки рожают мужей для своих дочерей). А потом дочки благополучно спариваются с этими самцами и уже не занимаются живорождением. Вокруг оплодотворенных эмбрионов, еще в организме самки, образуется плотная оболочка – покоящееся яйцо. Такое яйцо можно высушить и заморозить, можно даже отправить в космос – оно сохранит эмбрион внутри себя. После всех перенесенных невзгод достаточно положить яйцо в воду и из него вылупится живая самка, которая даст начало новой популяции.

Итак, жизнь рачков в какой-нибудь луже выглядит так. Весной из огромного количества яиц на дне водоема вылупляются тысячи самок, которые начинают радостно размножаться. Для размножения и роста, как и всем живым существам, им нужна еда. Это одноклеточные водоросли, которых они отфильтровывают из воды. Когда жизнь в луже становится хуже (кончается корм, лужа начинает пересыхать, в луже появляются хищники), рачки образуют покоящиеся яйца. В конце концов, к зиме в луже/озере почти не остается живых рачков, зато на дне, в ожидании следующего сезона, лежит запас яиц.

Эксперименты

В диссертации, о которой я рассказываю, эксперименты проводили с двумя очень близкими видами рачков – моина макрокопа и моина брахиата. Далее будем их называть вид М и вид Б. Несмотря на близость, они живут в одних лужах (вспоминаем абзац-присказку и понимаем, что это нарушает «догму экологии»). Значит нужно попытаться понять, за счет чего они могут жить в одних лужах и не вытеснять друг друга (это и было целью диссертации). Для этого нужно в лаборатории сначала посадить самок этих двух видов в отдельные баночки и сравнить, как они растут при разных концентрациях водорослей в среде. После этого нужно посадить их в большую банку (и по отдельности, и вместе) и посмотреть что будет.

Цели и задачи работы я сформулировал. Теперь переходим к результатам. Когда самочек М и самочек Б садили в баночки с разным количеством корма и измеряли с какой скоростью они растут, сколько потомков рожают и когда испытывают непреодолимое желание заняться сексом, то выяснилась забавная штука.

Когда пищи в среде мало и самки М и самки Б растут медленнее, чем когда пищи много, и конечно же предпочитают размножаться половым способом. Чем больше пищи, тем быстрее они растут, и тем меньше самок решают, что секс это хорошо. Начиная с какого-то количества пищи в среде, их скорость роста больше не увеличивается, и все самки забывают о том, что детей нужно делать с участием папы – зачем, ведь можно заниматься клонированием. Забавная же штука в том, что для самок М это критическое количество пищи в несколько раз меньше, чем для самок Б. То есть при одном и том же количестве пищи самки Б начинают расти медленнее и переходят к половому размножению (то есть они считают, что уже все достаточно плохо и пора страховаться перед концом сезона – образовывать покоящиеся яйца), а самки М все еще занимаются клонированием и не переживают о скором печальном конце. Это первый вывод диссертации.

Дальше – больше. Покоящиеся яйца образуются не только, тогда когда пищи становится мало. Есть еще один замечательный стимул к их образованию. Продукты метаболизма или собственные выделения. Проверить их действие очень просто. Помещаем целую кучу животных в банку. Держим их там какое-то время, потом воду фильтруем, чтобы отделить и животных и крупный «мусор», воду разливаем по стаканчикам, добавляем корм и сажаем в стаканчики одиночных самок. Хоть в стаканчиках пищи достаточно и все остальные условия содержания в норме, самки начинают образовывать покоящиеся яйца. Более того, оказывается, что только вода, в которой сидели самки своего вида, заставляет их переходить к половому размножения. То есть вода в которой сидели самки Б, не влияет на самок М и наоборот. Это второй вывод диссертации.

Любой мало-мальски любознательный читатель спросит – что же это за вещества такие, вы их определили? Это не единственный пример химических коммуникаций у обитателей водоемов. Но вот определить химические вещества, которые участвуют в таких коммуникациях, пока еще почти никому не удалось. Слишком маленькие концентрации действующих веществ.

Мы провели лишь несколько экспериментов в этом направлении. Для начала надо выяснить летучие или растворимые эти вещества. Метод проверки довольно простой. Берем воду, которая содержит гипотетические сигнальные вещества, и пропускаем через нее инертный газ аргон. Если вещества летучие, то через какое-то время вода потеряет свои свойства. Оказалось, что не теряет – значит это не летучие, а водорастворимые вещества.

Далее проверяем термическую стабильность веществ. Параллельно с продувкой аргоном начинаем нагревать воду. Сначала до 80 градусов – ее действие сохраняется. Затем кипятим – она все еще активна. Значит, эти вещества, скорее всего, не сложные белки, у которых есть пространственная структура – как известно при нагревании сложные белки теряют свою форму. Это третий вывод диссертации и почти половина всей работы.

Теперь начинаем работать с популяциями. Сажаем несколько рачков в большую банку и наблюдаем за их ростом (наблюдаем: значит каждые три дня просчитываем и измеряем под микроскопом сначала десятки, потом сотни, а потом тысячи животных, и так много раз). Сначала численность животных растет, потом начинает резко падать. В банках, где сидят рачки М, численность растет быстрее, содержание корма уменьшается быстрее, а первые самочки, которые начали заниматься сексом, появляются раньше, чем в банках с рачками Б. Но это когда они сидят по отдельности. Как только мы садим рачков М и рачков Б в одну банку, то проявляется замечательное свойство рачков Б вытекающее из первого вывода – они начинают заниматься сексом раньше, чем когда сидят по отдельности. Есть одно важное «но». Рачки Б раньше сбрасывают покоящиеся яйца, но растут намного медленнее и очень скоро исчезают из банки, в ней остаются только рачки М (и конечно же запас покоящихся яиц рачков Б на дне) (четвертый вывод).

А теперь кульминация работы. Начинаем выращивать рачков М и рачков Б в одной банке, но садим их не в чистую воду, а в воду, в которой до этого жили либо те, либо другие рачки. Кто начинает первым сбрасывать покоящиеся яйца? Правильно, тот вид, самки которого росли в воде, которую мы используем для эксперимента (пятый вывод).

Самое главное! Ни один из видов в течение эксперимента, в отличие от эксперимента с чистой водой, не исчезает из банки. Последний, шестой вывод звучит примерно так: если два вида рачков начинают делать покоящиеся яйца при разных количествах пищи, а их собственные химические выделения заставляют их образовывать эти яйца еще раньше, то они оба образуют достаточное количество покоящихся яиц, чтобы восстановить свою численность в начале следующего сезона и делать так каждый год…

Примерно так выглядит одна конкретная, не липовая диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Делалась она несколько лет. Чтобы ее сделать, нужно было вырастить, пересадить пипеткой из одной банки в другую и обратно, посмотреть под микроскопом, и, в конце концов, вылить в канализацию тысячи рачков. Принесет ли эта работа практическую пользу российскому народному хозяйству? Вряд ли. Нужна ли она науке? Безусловно!

Мы все еще очень плохо понимаем, как устроена биосфера и как тысячи живущих в ней видов умудряются уживаться друг с другом. У нас уживаться ни с другими видами, ни с самими собой пока не получается. Если не поймем, как уживаются другие, то, скорее всего, рано или поздно как цивилизация деградируем, а следующая попытка будет только у наших потомков.