Эликсиры жизни и смерти

Загадочная гибель. - "Красный прилив". - Энзимы. - "Колдовское зелье". - Новая гидробиология

Миллионы тонн рыбы, съедобных моллюсков и ракообразных, которых ежегодно добывает в океане человек, это лишь ничтожная доля скрытых в нем пищевых ресурсов. И тем не менее годы обильных уловов нередко сменяются годами низких уловов. Случаи неурожаев хлеба и падежа скота бывают и на поверхности земли. Если не всегда удается их предотвратить, то причины, вызывающие их, не составляют для науки секрета. Не так дело обстоит в науке об океане. Завеса тайны над различными физическими, химическими и биологическими процессами, происходящими на глубинах, едва только приоткрыта.

История рыболовства знает немало случаев массовой гибели рыбы. В 1789 г., например, поверхность Баренцева моря была сплошь покрыта мертвой пикшей и сайдой. В 1882 г. такая же судьба постигла крупную промысловую рыбу лофолатилуса, обитающую в теплых струях Гольфстрима.

В 1951 г. массовую гибель рыбы у берегов Перу вызвало распространившееся на юг таинственное течение Эль-Ниньо (см. очерк "Океанские течения"). Почти ежегодно влечет за собой гибель рыбы так называемый красный прилив. Он наблюдается у берегов Флориды как со стороны Атлантики, так и в Мексиканском заливе, у западных берегов Южной Африки и в некоторых других местах. Во время "красного прилива" у берегов Флориды в 1947 г. погибло более 50 млн. рыб. Берега были усеяны выброшенной морем мертвой рыбой.

Наблюдаются и такие случаи, когда вместо одного вида рыбы без всяких видимых причин появляется другой. С 1913 по 1917 г. уловы сельди в Каспийском море составляли 42 %, а воблы, леща, судака и прочего частика - 55%. Потом соотношение постепенно изменилось. С 1929 по 1933 г. сельди было поймано всего 7%, а частика - 90%.

Урожаи и неурожаи в рыбном царстве часто зависят от количества пищи, которой располагает подрастающее поколение, а также от температурных условий в период икрометания и развития мальков, от изменений в режиме солености, от содержания в воде кислорода, словом, от гидрологических условий среды. Судить об урожаях или неурожаях и вообще о рыбных запасах мы можем пока только по уловам. Но на уловах помимо технических причин часто сказываются перемещения рыб. В основе скоплений и миграций рыб лежат три побудительные причины: поиски пищи, потребность в размножении и стремление найти более благоприятные условия окружающей среды. Но эти условия определяются не одним только гидрологическим режимом - температурой и соленостью.

Рыба, гибнущая в воде «красного прилива» у берегов Австралии. В 1962 г. от него погибло несколько миллионов рыб

За последние десятилетия биохимические исследования обнаружили в воде новые вещества, существенно влияющие на развитие жизни в океане. Это так называемые энзимы или внешние метаболиты - вещества, выделяемые организмами в окружающую среду. Влияние метаболитов может быть положительным, когда они стимулируют развитие организмов, и отрицательными, когда они тормозят биологические процессы. В некоторых случаях энзимы привлекают организмы к себе и побуждают их к скоплению, в других - рассеивают их, вытесняют и даже причиняют смерть. Биологические связи между морскими организмами вышли таким образом за пределы формулы "хищник-жертва" и требуют пересмотра.

В настоящее время установлено, что бактериальное население морских грунтов также выделяет метаболиты. В песках обнаружены вещества, либо привлекающие, либо отталкивающие переносимые течением личинки организмов, которым в известной стадии развития надлежит оседать на дно. И это неудивительно: бактерии, подобно одноклеточным водорослям, выделяют до 30-40% синтезированного за сутки органического вещества в виде кислот, пептидов и других органических соединений.

Некоторые растительные организмы, искусственно помещенные вместе, развиваются плохо, и не потому, что им не хватает пищи, а потому, что вещества, выделяемые одними организмами, тормозят рост других. К таким взаимно мешающим растительным организмам относятся растительные клетки хлореллы (Chlorella vulgaris) и ницшиа (Nitzschia frustulum). Наоборот, диатомовая талассиозира (Thalassiosira) не растет, несмотря, на обилие питательных солей, если не добавить в воду экстракта из ульвы (Ulva). Ницшиа клостериум (Nitzschia closterium) стимулирует рост других организмов, но сама в стимуляторах, по-видимому, не нуждается. Выделением особо вредных веществ отличаются жгутиковые.

Каждый год приносит открытие в природных водах новых, неизвестных ранее веществ. В 1954 г. в морской воде был найден хорошо известный в медицине кобаламин (витамин В-12) и установлена потребность в нем некоторых морских растительных организмов. Он необходим для нормального развития жгутиковых, хризофицей, диатомовых; без него не развиваются некоторые зеленые водоросли.

Выделение метаболитов одними организмами бывает совершенно необходимо для развития других организмов, которые сами не в состоянии производить эти метаболиты. Постановка экспериментальных работ для исследования внешних метаболитов очень сложна. Нужно исключить влияние ряда посторонних факторов и выделить влияние только одного, на котором сосредоточено внимание экспериментатора. Японский ученый Миязаки установил, что присутствие или отсутствие в воде углеводистых веществ, выделяемых водорослями, влияет на скорость всасывания воды устрицами. Количество углеводистых веществ в воде зависит от освещенности, содержания в воде кислорода и изменяется в одном ритме с процессами развития водорослей. По данным того же ученого, выделения зеленых водорослей влияют на оплодотворение икры самцами устриц.

Можно предполагать, что метаболиты в некоторых случаях имеют летучий характер, так как исчезают из воды при ее нагревании. В то же время они часто сохраняются в воде и после удаления организмов, которые их выделяют. Упомянутая выше ницшиа плохо растет не только в присутствии хлореллы, но и в воде, из которой та была удалена путем тщательного фильтрования.

Если и не все, то некоторые метаболиты имеют запах. Тихоокеанская семга избегает экстракта из кожи морских млекопитающих даже при концентрации 1 части экстракта на 10 млн. частей воды.

Из наблюдений Хаслера и Висби известно, что испытуемые миноги по запаху различали воду из различных ручьев и плыли на знакомый запах, даже лишенные зрения. Подогревание воды или лишение миног предполагаемых органов обоняния делало их безразличными к происхождению воды, миноги теряли ориентир. В связи с этим возникает предположение, что именно в запахе органических веществ и метаболитов, растворенных в воде, кроется разгадка удивительной способности морских рыб заходить для икрометания в реки. Может быть, привычные с детства запахи влекут взрослую рыбу на нерест в места, где протекало ее "детство", где она прошла через начальные стадии развития?

Чутье у рыб сопоставимо с чутьем собаки. Угорь ощущает алкоголь в растворе 1 г на весь объем Ладожского озера (3500 км³). Караси чувствуют присутствие нитробензола в растворе 1 г на 100 км³ воды. Из опытов Д. С. Павлова (1962 г.) известно, что налимы, выпущенные в бассейн с 300 л воды, приходили в возбуждение и безошибочно устремлялись к месту, куда было вылито 2,5 л воды, в которой в течение пяти минут находилась шестисантиметровая рыбка атеринка. Словом у рыб есть обонятельная память, самонаводящая система, ориентирующаяся на органические запахи воды.

Губительное влияние метаболитов, выделяемых большими скоплениями растительных организмов, наиболее исследовано в явлении "красного прилива". Изменение цвета воды, благодаря которому явление получило свое название, может быть вызвано скоплением бактерий, диатомовых, жгутиковых, иногда щетинконогих червей и мелких ракообразных. Но гибельное влияние на рыбу оказывают главным образом две формы динофлагеллят, именно гимнодиниум (Gymnodinium brevis) и Gonyaulax monolata.

Цвет воды, при которой погибала рыба, имел в разных случаях желто-зеленую, желтую, коричневую, красноватую и красную окраску. Количество гимнодиниума достигало .13-56 млн. экз. на 1 л воды. В 1952 г. из воды "красного прилива" была выделена аскорбиновая кислота и особое вещество рамносид в количестве 20-50 мг на 1 л. По наблюдениям, рыба во время "красного прилива" гибла при нормальной температуре воды, нормальной солености и при обычном содержании кислорода в воде. После того как рыба вступала в полосу "красного прилива", смерть наступала почти мгновенно. Мясо рыбы, случайно оставшейся в живых, было вполне пригодно в пищу, но погибшая рыба была ядовитой.

Вода во время "красного прилива" выделяет газ, раздражающий слизистую оболочку горла и носа. При ветре со стороны моря раздражение ощущается даже на берегу. Способность воды возбуждать раздражение сохраняется и после процеживания через фильтры с диаметром отверстий 1-1,5 мк. Существует предположение, что раздражение вызывает не газ, а пары и мелкие брызги воды, содержащие ядовитые выделения динофлагеллят. "Красный прилив" случается поздним летом или осенью и часто совпадает у берегов Флориды с паводком в реке Пис. Несмотря на большую литературу, посвященную этому явлению, разгадка его не ясна. Средств борьбы с "красным приливом" нет, и он продолжает оставаться бичом для местного рыболовства в Центральной Америке, у берегов Калифорнии, Южной Африки и во многих других районах Мирового океана.

Явление "красного прилива" было известно коренным обитателям Америки - индейцам, задолго до появления европейцев. Так как погибшая от "красного прилива" рыба ядовита, к ней запрещалось даже прикасаться. Обычай запрещал древним индейцам собирать и употреблять в пищу съедобных моллюсков в период обильного появления в море мелких водорослей. Зараженные ядовитыми растительными клетками, моллюски сами не гибнут, но вызывают у человека тяжелое заболевание и даже смерть. В свете описанных явлений совершенно новое толкование дается долгопериодным колебаниям в уловах рыбы в Ламанше. В 20-х годах продуктивность Ламанша была высока, в 30-х - резко упала. Падение продуктивности сопровождалось уменьшением в воде фосфора. Связь на первый взгляд ясна - меньше питательных солей, меньше растительного и животного планктона и, наконец, рыбы. При более углубленном исследовании были обнаружены и другие причины падения продуктивности в канале. В воду, взятую из Ламанша (Вильсон, 1954) и не связанного с ним Кельтского моря, поместили личинок многощетинковых червей - полихет. Оказалось, что в воде Кельтского моря они росли хорошо, в воде Ламанша - плохо. Когда кельтскую воду подогрели, полихеты и в ней стали расти плохо. Очевидно, на рост личинок в воде Кельтского моря благоприятное действие оказывали какие-то летучие метаболиты, которых недоставало в воде Ламанша. При нагревании воды они улетучивались.

Американский биолог Джонстон брал отфильтрованные пробы воды из разных районов океана, добавлял в них одинаковое количество питательных солей и выращивал фитопланктон. Хотя температура и освещенность у всех проб были одинаковы, рост и размножение фитопланктона оказывались совершенно разными. Видимо, в воде содержались какие-то трудно уловимые вещества, которые по-разному влияли на рост фитопланктона. Очевидно, в морской воде существуют не только некоторые химические, но и биологические различия. Каждая водная масса имеет свою собственную индивидуальность и "биографию".

Известно немало случаев, когда большие скопления некоторых видов фитопланктона оказываются неблагоприятными для развития зоопланктона. Может быть, поэтому в океане нередко можно встретить обособленные скопления растительных и животных организмов. Так, во время плавания "Оби" в антарктических водах у берегов материка наблюдалось, как принято говорить, сильное цветение моря, иными словами, большое скопление растительного планктона. Дальше в море, где количество растительного планктона значительно уменьшилось, было обнаружено обилие животного планктона, состоявшего из веслоногих рачков, и, наконец, еще дальше от берега, где уже почти не было растительных организмов, появились скопления криля (рачки эвфаузиды). Концентрация растительных организмов не совпадала в данном случае с районами скопления животного планктона.

К. В. Беклемишев и Л. Б. Кляшторин заметили, что скопления тунца (Germo alalunga) в Тихом океане совпадали с концентрацией кормовых организмов, в частности, зоопланктона. Но скопления зоопланктона никогда не совпадали с концентрациями фитопланктона и отстояли от них на 300-600 км. На такой же дистанции от "полей" фитопланктона держались и летучие рыбы. Иногда несовпадение скоплений растительного и животного планктона происходит вследствие сезонной очередности развития того и другого. Но в известных случаях оно объясняется и другими причинами: некоторые формы водорослей выделяют вещества, ядовитые для зоопланктона и даже для рыбы. Это явление замечено давно и получило название - "вытеснение животных организмов" (animal exclusion).

Планктон, подобно растениям и животным на суше, часто распределен в море отдельными пятнами. От пятен безкапсульных фитопланктонных организмов вида Halosphaera, образующих при большом скоплении желатинообразную массу, решительно отворачивает в сторону мигрирующая сельдь; об этом рассказывает в книге "Живое серебро" советский биолог Б. П. Мантейфель. "Табачное море" (baccy juice) при скоплении игловидной водоросли Rhizosolenia, издающей резкий неприятный запах, тоже отпугивает сельдь. Наоборот, "молочное море", как его называют рыбаки, образованное концентрацией поднявшихся к поверхности кокколитофор, служит предзнаменованием хороших уловов. По наблюдениям румынского океанографа М. Баческу, скопления планктонной ризосолении в Черном море губительны для зоопланктона.

Планктонные организмы, переносимые течениями, нередко служат надежными индикаторами происхождения, свойств и особенностей встречающихся в океане водных масс.

Таким образом, отношения между растительными и животными организмами в море не укладываются в прежнюю простую формулу: "пища, температура и соленость воды определяют размножение и рост". Огромная, но еще недостаточно ясная роль в развитии морских организмов принадлежит внешним метаболитам - органическим веществам, которые выделяются растительными и животными организмами в окружающую их воду. Среди них есть стимуляторы и ингибиторы роста, есть вещества, влияющие на поведение организмов. Выделения, смерть и разложение одних организмов способствуют или препятствуют развитию других. Растворенные в воде вещества могут быть полезны одним организмам и губительны для других. К некоторым веществам организмы приспосабливаются, а от других они вынуждены бежать. Словом, в океане создается сложная органическая среда из сочетания живых и мертвых организмов. Океанская вода - настоящее "колдовское зелье", а присутствующие в нем метаболиты - это еще неразгаданные эликсиры жизни и смерти.

Поэтому нам представляется, что гидробиология, как наука, занятая только описанием видов, их количественным учетом и географическим распределением, - это вчерашний день морской биологии. К сожалению, в таком виде ее все еще преподают на кафедрах и посвящают ей объемистые труды.

Между тем в свете перечисленных взаимосвязей, океан и уж во всяком случае каждую океанскую водную массу надо рассматривать, как некую "метаболическую клетку", определенную биологическую систему, в которой водная среда используется организмами подобно крови или плазме в живом теле. Только такая гидробиология может удовлетворить современным требованиям науки и практики рационального использования и воспроизводства пищевых ресурсов океана.

К сожалению, как это видно из докладов на Международном океанографическом конгрессе в Москве, прогресс в этой области океанологии еще невелик. Биологи К. А. Веб и Р. Е. Иоганнес (США) сообщили о качественных и количественных выделениях метаболитов зоопланктоном, Р. Ф. Ваккаро и X. Джаннаш (США) - о выделении гетеротрофными организмами (бактериями и иногда фитопланктоном) солей и ростовых веществ и усвоении организмами растворенного органического вещества с помощью ферментов. Перспективные исследования в области динамики экологического метаболизма (выделение, перенос, усвоение) начаты в Институте биологии южных морей Украинской Академией наук, о них на конгрессе сделал сообщение К. М. Хайлов.

Колдовские зелья давно сделались достоянием фармацевтов. Метаболиты в руках биохимиков и биологов должны стать могучим средством повышения продуктивности океанских бассейнов.