✓ проверено экспертом
Материал проверила: С.М. Шавалеева, кандидат химических наук, доцент кафедры общей химии и экологии КНИТУ-КАИ
Посмотрите на лес у Куршского залива или балтийских рек. Откуда деревья берут вещества для роста? Скорее всего, вы подумаете о почве, солнце и дожде. Но почвы здесь часто песчаные и подзолистые, от природы бедные питательными веществами, особенно азотом, который так нужен деревьям. Согласились бы вы искать главный источник питания этого леса… в рыбе или другом обитателе воды?
На первый взгляд, это кажется странным. Рыба живёт в воде, дерево — на суше. Река скорее смывает вещества с берегов в море, чем наоборот. Однако атомы не знают границ между средами. Чтобы понять, как морская рыба оказывается в еловой хвое, нам придётся научиться задавать природе правильные вопросы и проследить сначала за самой рыбой.
Чтобы понять сам механизм этого переноса, были проведены подробные исследования тихоокеанского побережья Северной Америки. Оказалось, что в этом месте обитают медведи, которые ловят рыбу, съедают часть и бросают остатки в лесу. За сезон медведи могут вытащить на берег многие сотни килограммов, а в некоторых реках — даже тонны рыбы. Дальше медведям на помощь приходят другие обитатели леса: рыбные остатки растаскивают птицы, паводок может вынести их на пойму, насекомые и микроорганизмы перерабатывают вещество так, что часть азота в почве становится доступна растениям.
В ряде исследований на канадских островах показано, что благодаря такому переносу до 25% азота в листве прибрежных деревьев может иметь морское происхождение, а темпы роста елей вблизи нерестовых рек заметно выше, чем у деревьев, растущих вдали от воды. Например, в одном из экспериментов деревья, получавшие дополнительный азот от разлагающегося лосося, увеличивали прирост биомассы на 19–25% по сравнению с контрольными. В другом исследовании отмечено, что ели у реки достигают одинаковых размеров в несколько раз быстрее, чем их «соседи» в отдалении.
Получается, почва у реки более питательна, и всё благодаря медведям, птицам и другим обитателям леса, которые доставляют на берег рыбий азот — главный строительный материал для белков и листьев, без которого лес не смог бы расти так быстро.
Но источники поступления азота в почву могут быть разными, не только из моря. Можно ли их отследить? У самого азота нашлось свойство, позволяющее это сделать.
Существует два устойчивых изотопа азота: лёгкий ¹⁴N (встречается в 99,6% случаев) и тяжёлый ¹⁵N (0,4%). Химически они практически идентичны, поэтому живые организмы охотно используют их оба. Но из-за разницы в атомной массе биологические процессы обращаются с ними не совсем одинаково. При каждом переходе вещества с одного уровня пищевой цепи на другой организмы «сортируют» атомы: они легче усваивают и выводят более лёгкий изотоп, а тяжёлый задерживается в тканях.
Из-за этой невидимой сортировки отношение тяжёлого азота к лёгкому меняется на каждом этапе. В науке это соотношение выражают через величину δ¹⁵N (дельта-пятнадцать), которую измеряют в промилле (‰). У разных сред это значение изначально различается. Например, в морской воде и в наземной почве оно разное: морской азот, как правило, обогащён тяжёлым изотопом — у морских рыб δ¹⁵N может достигать +10…+15‰, тогда как у наземных растений оно близко к 0‰ или даже отрицательно.
Исследователи, измеряя δ¹⁵N в хвое елей, растущих у нерестовых рек, часто находят заметно более высокие значения, чем у контрольных деревьев вдали от воды. Это прямо указывает на присутствие морского азота. Однако нельзя просто взять и по простой формуле смеси вычислить точную долю этого азота. Почему?
Потому что та самая «сортировка» атомов при переходе с одного трофического уровня на другой (от рыбы к насекомому, от насекомых к почвенным микробам, от микробов к корням) сдвигает значение δ¹⁵N примерно на 3–4‰ на каждом этапе. Эти изменения накладываются на исходную метку, и без учёта всей цепочки переноса легко ошибиться. Поэтому одного анализа изотопного состава хвои недостаточно — приходится строить сложные экологические модели, сопоставлять несколько звеньев переноса и учитывать поправки на фракционирование.
Но как только мы начинаем видеть эту сложную картину, перед нами открывается удивительная взаимосвязь: выросшее благодаря рыбе дерево затеняет ручей, не давая воде перегреваться; упавший в воду ствол создаёт заводь, где прячутся мальки; опад с листьев кормит беспозвоночных, которые падают в реку и становятся пищей для рыб. Лес кормит рыбу, а рыба кормит лес. Это не два разных мира, а одна экосистема.
Вернёмся к Балтике, ведь здесь тоже есть много рыбы. Исторически через Куршский залив в Неман и его притоки из Балтийского моря на нерест идут лосось и кумжа — так называемые проходные рыбы. Лосось рождается в пресной воде, скатывается в море, где набирает около 95% своей массы, а затем возвращается в ту же реку, чтобы отложить икру. Но ещё есть угорь, который, наоборот, рождается в Саргассовом море, плывёт в воды залива и впадающие в него реки, растёт там, а потом снова отправляется в океан на нерест.
Можно ли взять цифры из североамериканских исследований и применить их к Куршской косе? Оказалось, что нет! Причина простая — у нас нет медведей, которые вытаскивают тонны рыбы на берег, а гидрологический режим Немана и залива иной. Перенос вещества из воды на сушу и обратно работает здесь через другие механизмы.
Если на тихоокеанском побережье рыбу из воды вытаскивают гиганты-медведи, то на Балтике эту работу берут на себя миллиарды невидимых тружеников — насекомых. В начале лета над водой появляются тучи комаров-звонцов. Их личинки жили в воде, питаясь водной органикой и накапливая в своих телах азот и фосфор, растворённые в заливе. Теперь они вылетают, и их массово поедают птицы и пауки на берегу. Вместе с телами комаров на сушу переносится и их азот: часть его с помётом и остатками добычи попадает в почву и становится доступна корням деревьев. Вещество из водной пищевой цепи переходит в наземную. Но есть и обратный поток.
Залив — не просто копилка, а транзитный узел. Лосось и кумжа доставляют морской азот в реку, а угорь, наоборот, уносит накопленные вещества с собой. Вещество не накапливается здесь вечно, а движется дальше.
Поэтому у Куршского залива не стоит ожидать таких же гигантских елей, как на канадских островах, и прямой зависимости «количество лосося — толщина ствола». Но разница в росте прибрежных и удалённых от воды деревьев всё равно существует — просто она более мягкая, рассеянная и опосредованная. Ели у воды получают подкормку не «ударной дозой» от рыбных остатков, а постоянным, но небольшим притоком азота через насекомых, паводковые наносы и деятельность почвенных микробов.
Разница в росте здесь — результат работы всей экосистемы целиком: залива, реки, вылетающих насекомых, птиц, деревьев и почвенных организмов. Рыба кормит лес не напрямую, а через длинную цепочку посредников — и в этом её балтийский путь не менее интересен, чем тихоокеанский.
Рассматривая на выставке спилы деревьев, вы видите перед собой два круга с годовыми кольцами. У одного кольца широкие, словно дерево росло в изобилии. У другого — узкие, плотно сжатые, будто каждый год давался с трудом.
Современные учёные умеют «читать» эти кольца, выжигая их слой за слоем и измеряя изотопный состав каждого года. Так они видят, в какие годы дерево объедалось морскими дарами, а в какие — голодало.
Теперь, гуляя у воды, вы замечаете детали, которые раньше проходили мимо: туманную пелену комаров-звонцов над водой на рассвете — это не просто насекомые, это живой мост между водным миром и лесом; следы птиц на илистом берегу — возможно, они только что обедали добычей, выросшей в воде; корягу, упавшую в реку, — она создаёт заводь для мальков и со временем сама станет частью водной пищевой цепи; течение ручья — теперь вы понимаете, что это лишь самый очевидный способ переноса вещества.
Рыбе незачем взбираться на берег, чтобы её атомы оказались в кроне дерева. Этот путь продолжат другие: комары и подёнки, поднимающиеся в воздух; птицы, переносящие рыбу в гнездо; паводок, выносящий органику на пойму; почвенные микробы, превращающие рыбий азот в форму, доступную корням.
Вспомните вопрос, с которого мы начали: «Согласились бы вы искать источник питания леса в рыбе или другом обитателе воды?» Теперь вы знаете ответ. Он не в том, что рыба ползёт по земле к корням ели. Он в том, что вещество не знает границ между водой и сушей, между морем и лесом, между одной жизнью и другой.
Научиться видеть эти невидимые нити — значит начать по-настоящему понимать природу, где каждое звено — от морского планктона до еловой хвои — оказывается связано с остальными.
Научно-популярный туризм