Фитопланктон

БИОфизика ВОДНЫХ
ЭКОСИСТЕМ
Задереев Егор Сергеевич
Ведущий научный сотрудник
ИБФ СО РАН
канд.биол.наук
Тел. 249-43-58
Эл.почта egor@ibp.ru
Бактерии
Хищные
рыбы
Хищный
зоопланктон,
рыбы
Зоопланктон
(рачки)
Фитопланктон
(водоросли)
Минеральные вещества (Р, N)
Определение
планктона
Организмы чье распределение в водной толще
в основном определяется течениями. Многие
планктонные организмы способны
передвигаться или имеют специальные
механизмы контроля своей плавучести и
положения в водной толще.
Планктон - πλαγκτός (planktos) (гр.) –
errant, drifting
Важность
Составляют основной источник
первичной и вторичной продукции в
водных экосистемах (обычно намного
больше, как по биомассе, так и по
продукции, чем более заметные виды,
такие как рыбы или высшие растения).
Фитопланктон
Cyanobacteria
(цианобактерии;
«сине-зеленые
водоросли»)
1. Древняя группа – более 3 млрд. лет
2. Отличительные характеристики
a. Прокариоты
b. Пигменты
1) Хлорофилл «a»
2) Вторичные пигменты - фикобилины
a) фикоэритрин - красный (marine red
tides)
b) фикоцианин - голубой – придает
сине-зеленый цвет
3. Некоторые являются
азотфиксаторами
a. используют фермент нитрогеназу
b. Имеют гетероцисты, специальные
толстостенные клетки, где происходит
фиксация N2 → NH4 (когда в среде мало
аммония)
4. Имеют специализированные покоящиеся
клетки – акинеты
5. Некоторые токсичны
a. Примеры:
1) Microcystis aeruginosa
2) Aphanizomenon flos aquae
3) Anabaena flos aquae
b. Токсины - гепатотоксины, нейротоксины
6. Основные роды
Oscillatoria
Lyngbia
Anabaena
Chroococcus
Microcystis
Aphanizomenon
Spirullina
Chlorophyta
(зеленые
водоросли)
1.Отличительные характеристики
a. Эукариоты
b. Пигменты
1) хлорофилл “a”
2) хлорофилл “b”
2. Пигменты и другие особенности клеток дают
основания предполагать, что представители зеленых
были предшественниками высших растений
3. Примеры родов
a. Spirogyra
b. Pediastrum; Hydrodictyon
c. Chlamydomonas/Gonium/Pandorina/Volvox
d. Closterium
e. Scenedesmus
Cryptophyta
(Криптомонады)
1. Отличительные характеристики
a. Эукариоты
b. Пигменты
1) хлорофиллы “a” и “c”
2) много вторичных пигментов:
каротиноиды и ксантофиллы – могут
быть разного цвета - зеленого,
голубого, коричневого, оливкового,
красного.
2. Одноклеточные
3. Обычно мелкие и являются
хорошей пищей для
зоопланктона
4. Типичный род
a. Cryptomonas – способен к
миксотрофии – может
потреблять бактерий
Chrysophyta
(золотистые
водоросли,
желтозеленые,
диатомовые)
1. Отличительные характеристики
a. эукариоты
b. пигменты
1) хлорофиллы «а» и «c»
2) каротиноиды (e.g., b-carotene);
фикоксантин
2. Группы
a. Class Chrysophyceae (Golden Algae)
b. Class Bacillariophyceae (Diatoms)
Диатомовые
Особенности пигментного аппарата и
динамика фитопланктона
• У зеленых и эвгленовых
водорослей свето-собирающий
комплекс включает основное
количество хлорофилла b,
коротковолновые формы
хлорофилла а и каротиноиды;
• у диатомовых — хлорофилла/с белковый комплекс,
водорастворимый фукоксантин;
• у сине-зеленых —
фикобилипротеины (фикоэритрин,
фикоцианин, аллофикоцианин).
Механизмы снижения плавучести
Плотность компонентов клетки
фитопланктона
a) Белки
~1.3 g cm-3
b) Углеводы
~1.5 g cm-3 (cellulose)
c) Нуклеиновые кислоты ~1.7 g cm-3
d) SiO2
~2.6 g cm-3 (diatom walls)
e) Липиды
~0.86 g cm-3
Диапазон плотностей фитопланктона
~0.999 - 1.26 g cm-3
Закон Стокса
V – скорость осаждения
g – ускорение свобод. пад.
r - радиус
 - вязкость
‘- плотность клетки
 - плотность воды
1. Размер и форма
2. Накопление липидов
3. Выделение слизи
4. Газовые вакуоли
5. Ионная регуляция
6. Плавание с помощью жгутиков
Свет и рост
Фотосинтез &
освещенности
Фотосинтез &
глубина
Действие
температуры
Как зависимости от света влияют на
динамику популяций фитопланктона?
1. Цветение водорослей подо льдом
2. Свет чаще всего вызывает цветение
водорослей весной
3. Цианобактерии имеют газовые
вакуоли – всплывают и затеняют
другие водоросли
4. Разные группы и виды имеют разные
световые предпочтения
Озеро Шунет
Белый
ТемноКрасный
зеленый
Желтый
0
1 2
3 4
5
6
Глубина, метры
Лето
Зима
Свет
Свет
Лед
Когда
будет
больше
кого?
Фитопланктон
или пурпурные
серные бактерии
Кривые роста
Факторы влияющие на скорость
потребления субстрата
1. Размер
клетки
4r2 = площадь сферы;
4/3r3 = объем; A/V = 3/r
Взаимодействие факторов влияющих на
рост (пример озера в умеренных широтах)
Наличие света
Температурный
цикл
Взаимодействие
этих факторов
Наличие
биогенов
Другие факторы
Скорость оседания
Пресс хищников
Общая модель сезонной сукцессии
ВЕСНА
ЛЕТО
ПОЗДНЕЕ ЛЕТО
Диатомовые
Зеленые
Сине-зеленые
Много биогенов
Интенсивное
выедание
Низкое оседание
ЗИМА
мелкие
фитофлагелляты;
подвижные
динофлагелляты
Эффективные
конкуренты при
низких биогенах
Умеренное выедание
Высокие скорости
оседания
Меньше всего биогенов (N
фиксаторы)
Низкое выедание –
несъедобные (токсичны)
Умеренное оседание
Влияние концентрации фосфора на
соотношение групп фитопланктона в озере
Первичная продукция
Биомасса или энергия, накопленная продуцентами за единицу времени на
единицу пространства. Различают валовую первичную продукцию (равную
общему количеству продуктов фотосинтеза за определенный отрезок времени)
и чистую первичную продукцию (равную разности между валовой первичной
продукцией и той ее частью, которая использовалась на дыхание растений).
Первичная продукция характеризует исходный уровень биологической
продуктивности биоценозов.
Первичная продукция океана, декабрь 2003 года
Standard Product: Net Primary Production using MODIS CHL and SST, SeaWiFS PAR, and z_eu = f(CHL) as inputs to the
VGPM
Фитопланктон озера Шира
Факторы роста:
 Свет (фотосинтез)
 Биогенные элементы (из чего строить
биомассу)
 Температура (чем выше температура,
тем выше скорость реакций, но в
принципе не критично)
 Нужно находиться на нужной глубине
(на дне холодно и нет света)
 Нужно чтобы не съели (зоопланктон)
Фитопланктон в озере Шира
Глубина, м
Температура, оС
Хлорофилл «а», мг/л
?
Кислород, %
Задачка не решается так как заданы не все факторы!
Нужны как минимум распределения света,
зоопланктона и биогенных элементов
Может помочь математическое моделирование…
Стандартный сценарий –
результаты как в озере
Нет зоопланктона –
результаты почти как
озере, только что
концентрации выше
Водоросли не оседают.
Картинка совсем другая!
Значит оседание один из
важных факторов
Парадокс планктона
Присутствие сотен видов водорослей в
«гомогенном», перемешиваемом эпилимнионе
рассматривалось как нарушение принципов
конкурентного исключения и, соответственно,
как парадокс (Hutchinson, 1961). На самом деле
эпилимнион не совсем гомогенен и
фитопланктон а) различается по своим
потребностям б) не находится в одной и той же
точке (области со схожей физ-химией)
достаточно долго.
Толща воды озера – десятки различных ниш
(свет, температура, кислород, биогены,
соленость и т.п.)
Принцип конкурентного исключения
Гаузе
Георгий Гаузе (1910-1986)
Принцип Гаузе распространенный на nвидов и n-факторов
Число видов, неограниченно долго сосуществующих в
гомогенном местообитании с постоянными
(равновесными) численностями, не может быть больше,
чем число зависящих от плотности факторов,
ограничивающих рост их популяций.