Биология океана

Изучением жизни морских организмов занимается как морская биология, как и биологическая океанография, однако данные науки имеют некоторые различия в своих подходах.

Биологическая океанография исследует влияние живых организмов на физические, химические и геологические процессы в океанической системе, а также их взаимодействие между собой. Особое внимание уделяется микроорганизмам, обитающим в океане, и тому, как они взаимодействуют с окружающей средой и как это отражается на более крупных морских обитателях и экосистеме в целом^[3].

Биологическая океанография схожа с морской биологией, но рассматривает жизнь океана с другой точки зрения. В то время как морская биология изучает океан «сверху вниз», биологическая океанография использует подход «снизу вверх», особенно в отношении пищевой цепи. Биологическая океанография в основном фокусируется на экосистеме океана с акцентом на планктон: исследователи изучают разнообразие планктона, его источники питания, подвижность и метаболизм, а также продуктивность планктона и его роль в глобальном углеродном цикле^[3][4][5].

Морские среды обитания — это пространственно обособленные участки Мирового океана, характеризующиеся специфическими абиотическими условиями (глубина, давление, освещённость, солёность, температура, тип дна) и населяющими их сообществами организмов. Классификация проводится по двум основным принципам: по связи с дном и по глубине^[6].

Данная классификация делит все морские среды на две крупные категории^[7]:

• пелагиаль (от греч. πέλαγος — открытое море) — толща воды над дном. Организмы, населяющие её, называются пелагическими (планктон, нектон). Они не связаны с дном в течение большей части своей жизни;
• бенталь (от греч. βένθος — глубина) — дно океана и его грунт. Организмы, обитающие здесь, называются бентосными (бентос) и ведут донный образ жизни.

Внутри этих двух категорий существует дальнейшее деление по глубине.

Пелагиаль подразделяется на несколько вертикальных зон^[7]:

• эпипелагиаль (поверхностная зона, 0—200 метров): верхняя зона, куда проникает солнечный свет (фотическая зона); является основным районом фотосинтеза и наибольшего биоразнообразия;
• мезопелагиаль («сумеречная» зона, 200—1000 метров): зона океана, куда проникает лишь небольшое количество света, недостаточное для фотосинтеза; для неё характерна биолюминесценция;
• батипелагиаль (1000—4000 метров): характеризуется полной темнотой (афотическая зона), низкой температурой, высоким давлением;
• абиссопелагиаль (4000—6000 метров): глубинные слои воды, где условия близки к батипелагиали, но ещё более экстремальны;
• ультраабиссопелагиаль (хадаль, > 6000 метров): зона океанических желобов с максимальным давлением.

Бенталь, в свою очередь, также делится на зоны, которые примерно соответствуют глубинным зонам пелагиали^[8]:

• литораль: приливно-отливная зона;
• сублитораль: шельф (до 200 метров);
• батиаль: материковый склон (200—3000 метров);
• абиссаль: ложе океана (3000—6000 метров);
• ультраабиссаль (хадаль): океанические желоба (> 6000 метров).

Отдельно выделяется демерсальная среда — это придонный слой воды, непосредственно прилегающий ко дну, толщина которого обычно составляет несколько десятков метров. Организмы, обитающие в данной зоне, называются демерсальными: они тесно связаны с дном: либо живут у самого дна, либо регулярно посещают его для питания. К таким организмам относятся, например, многие камбаловые, скаты и креветки. Таким образом, демерсальная зона является переходной между пелагиалью и бенталью^[9].

Приливно-отливные зоны представляют собой территории, расположенные близко к берегу и постоянно находящиеся под воздействием океанских приливов и отливов. В этой зоне обитает огромное количество различных видов живых организмов. Береговые места обитания простираются от верхних приливно-отливных зон до областей с преобладанием наземной растительности. Многие виды, обитающие здесь, являются падальщиками, питающимися морскими организмами, вымывающимися на берег. Многие наземные животные также активно используют береговые и приливно-отливные места обитания. В них обитает особая группа организмов, которая участвует в процессе биоэрозии, пробуривая и измельчая скалы^[10].

Эстуарии представляют собой частично закрытые прибрежные водоёмы, в которые впадают одна или несколько рек или ручьёв. Они имеют свободный доступ к открытому морю^[11]. Эстуарии служат переходной зоной между пресноводной речной средой и солёной морской средой. Они подвержены как морскому воздействию, например, приливам, волнам и притоку солёной воды, так и речному воздействию, такому как приток пресной воды и отложения. Переменные потоки морской и пресной воды обеспечивают высокий уровень питательных веществ как в толще воды, так и в отложениях, что делает эстуарии одними из самых продуктивных природных сред обитания в мире^[12].

Рифы представляют собой одни из самых густонаселённых и разнообразных мест обитания в мире. Наиболее известными типами рифов являются тропические коралловые рифы, которые встречаются в большинстве тропических вод, но могут существовать и в холодных водах. Рифы формируются кораллами и другими организмами, которые откладывают кальций, обычно на вершинах скалистых образований на дне океана. Рифы могут расти и на других поверхностях, что позволяет создавать искусственные рифы. Коралловые рифы являются домом для огромного сообщества живых организмов, включая сами кораллы, их симбиотические зооксантеллы, тропических рыб и множество других существ. В морской биологии особое внимание уделяется коралловым рифам и природным явлениям, таким как колебание температуры поверхностного слоя воды Эль-Ниньо. В 1998 году коралловые рифы столкнулись с беспрецедентным обесцвечиванием, когда обширные участки рифов по всему миру погибли из-за аномально высокой температуры поверхности моря^[13][14]. Несмотря на то что некоторые рифы восстанавливаются, учёные предупреждают, что от 50 % до 70 % коралловых рифов в мире находятся под угрозой исчезновения. Более того, ожидается, что глобальное потепление может усугубить данную проблему^{[15][16][17][18]}.

Открытый океан не отличается высокой продуктивностью из-за недостатка питательных веществ, однако благодаря своей обширной территории он обеспечивает наибольшую первичную продуктивность. Открытый океан делится на различные зоны, каждая из которых имеет свои экологические особенности. В зависимости от глубины, выделяют эпипелагическую, мезопелагическую, батипелагическую, абиссопелагическую и гадопелагическую зоны. Также есть разделение по количеству получаемого света: фотоническая и афотическая зоны. Большая часть энергии, поступающей в афотическую зону, поступает из открытого океана в виде детрита^[20].

Самая глубокая из зарегистрированных океанических впадин — Марианская впадина, расположенная недалеко от Филиппин в Тихом океане, глубина которой составляет 10 924 метров. На такой глубине давление воды чрезвычайно высокое, а солнечный свет не проникает, но некоторые формы жизни все же существуют. В 1960 году экипаж батискафа «Триест» погрузился на дно Марианской впадины и обнаружил там белую камбалу, креветку и медузу, что вызвало научную дискуссию о вероятности выживания костных рыб в таких глубоких водах. Однако большинство учёных считают, что камбала не может обитать на такой глубине^{[21][22][23][24]}.

Считается, что глубоководные области начинается в афотической зоне, то есть в зоне, куда не проникает солнечный свет^[25]. Многие формы жизни, обитающие на таких глубинах, обладают биолюминесценцией — способностью создавать собственное свечение. Морская жизнь также процветает вокруг подводных гор, возвышающихся из глубин, вокруг которых собираются рыбы и другие морские животные для нереста и питания. Вдоль срединно-океанических хребтов есть гидротермальные и холодные источники, которые создают условия для существования организмов. В таких местах были обнаружены новые виды микробов и других живых существ. Глубокие части океана всё ещё остаются малоизученными^[26].

В биологии существует множество групп живых организмов, которые можно разделить на типы, семейства и роды. Некоторые из них обитают в воде, а другие — на суше^[27].

Морская биология использует таксономические признаки, но для анализа сообществ и экосистем применяет экологическую классификацию по среде обитания, потому как изучает не только организмы, которые живут только в морской среде, но и другие организмы, чья жизнь связана с морем^[28].

Морские микроорганизмы — основа биологической продуктивности и глобальных биогеохимических циклов в Мировом океане. Они обладают колоссальным биоразнообразием и численностью, формируют крупнейшую на планете экосистему и играют ключевую роль в поддержании жизни на Земле, выступая в качестве^[29][30]:

• первичных продуцентов, осуществляющих большую часть фотосинтеза в океане;
• основных агентов в глобальных круговоротах углерода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов;
• старшего звена в морских пищевых цепях.

К морским микроорганизмам в основном относят фитопланктон (автотрофные организмы) и микрозоопланктон (гетеротрофные организмы), хотя чёткая граница между этими группами зачастую размыта (миксотрофия)^[31].

Фитопланктон — совокупность мелких, пассивно парящих в толще воды автотрофных организмов. Фитопланктон является основным продуцентом органического вещества в океане, производя, по разным оценкам, от 50 % до 80 % всего кислорода на Земле. К фитопланктону относятся^[32][9]:

• цианобактерии (сине-зелёные водоросли): прокариотические организмы, которые играют огромную роль в фиксации атмосферного азота;
• диатомовые водоросли (Bacillariophyta): одноклеточные организмы с кремниевым панцирем, один из доминирующих и наиболее продуктивных компонентов фитопланктона в холодных и умеренных водах;
• динофлагелляты (Dinophyta): большая группа жгутиконосцев, многие из которых являются миксотрофами. Динофлагелляты ответственны за «красные приливы» и производство токсинов;
• кокколитофориды (Haptophyta): группа одноклеточных планктонных гаптофитовых водорослей, образующих на поверхности известковые пластинки — кокколиты; играют ключевую роль в цикле углерода, формируя глубоководные известковые отложения;
• прочие группы: криптофитовые водоросли (Cryptophyta), золотистые водоросли (Chrysophyceae), празинофиты (Prasinophyceae), эвгленовые (Euglenophyta).

Микрозоопланктон

Микрозоопланктон — гетеротрофная часть планктона, потребляющая фитопланктон, бактерий и друг друга, которая выступает в роли консументов 1-го порядка, осуществляя перенос энергии от первичных продуцентов к более крупным животным^[9]. Основные представители^[30]:

• простейшие (Protozoa):
  • инфузории (Ciliophora): активные потребители бактерий и мелкого фитопланктона;
  • радиолярии (Radiolaria): амёбоидные простейшие с кремниевым скелетом, обитающие в основном в тёплых водах;
  • фораминиферы (Foraminifera): простейшие с органическим или известковым раковинами (тестами), важные индикаторы изменений окружающей среды;
• гетеротрофные динофлагелляты: значительная часть динофлагеллят не способна к фотосинтезу и ведёт хищнический или паразитический образ жизни;
• прочие группы: гетеротрофные жгутиконосцы (например, криптиды), мелкие кишечнополостные, личинки беспозвоночных.

Роль микрозоопланктона заключается не только в переносе энергии, но и в реминерализации питательных веществ, делая их вновь доступными для фитопланктона^[9].

Микроскопические водоросли и растения являются важными местами обитания для живых организмов. Они служат укрытием для личинок крупных рыб и источником пищи для беспозвоночных^[33][34].

В океане существует огромное разнообразие водорослей, которые играют важную роль в экосистеме. Микроскопические фотосинтезирующие водоросли производят больше кислорода, чем все наземные леса вместе взятые. Макроскопические водоросли, такие как саргассум и ламинария, могут образовывать настоящие подводные леса. Такие водоросли широко известны как морские водоросли. Они занимают значительную часть экологической ниши, которую на суше занимают другие растения^[35].

В морских глубинах обитают разнообразные виды растений, которые сумели адаптироваться к условиям солёной воды. Среди них можно выделить такие виды, как зостера и талассия — морские водоросли, которые приспособились к солёной среде. Прибрежная зона также является благоприятным местом для роста морской флоры, где можно встретить мангровые деревья, кордграсс и пляжную траву. Растения, которые выживают в море, часто встречаются в мелководных зонах, например, морские водоросли, такие как взморник (Zostera). Данные растения приспособились к высокой солёности морской среды. Приливно-отливная зона также является благоприятным местом для морской флоры, где могут расти мангровые деревья, спартина изящная или песколюбка^[36].

В море, как и на суше, обитает множество беспозвоночных. Среди них можно выделить несколько групп:

• стрекающие, или книдарии (Cnidaria), например, медузы и актинии;
• гребневики (Ctenophora);
• черви: плоские черви (Platyhelminthes), немертины (Nemertea), кольчатые черви (Annelida), сипункулиды (Sipuncula), эхиуриды (Echiura), щетинкочелюстные (Chaetognatha), и форониды (Phoronida);
• моллюски: кальмары (Teuthida) и осьминоги (Octōpoda);
• членистоногие (Arthropoda), в том числе хелицеровые (Chelicerata), ракообразные (Crustacea);
• губки (Porifera);
• мшанки (Bryozoa);
• иглокожие (Echinodermata);
• личиночнохордовые (Urochordata), например, асцидии (Ascidiacea).

В морской среде насчитывается более 10 000 видов грибов^[37][38]. Они могут паразитировать на морских водорослях и животных или же существовать в качестве сапрофитов на водорослях, кораллах, цистах, морской траве, древесине и других поверхностях. Также их можно обнаружить в морской пене^[39]. Многие виды морских грибов имеют специальные придатки на спорах, что облегчает их прикрепление к субстрату^[40]. Такие грибы производят широкий спектр необычных вторичных метаболитов, что делает их уникальными в своём роде^[41].

По данным Международного союза охраны природы (IUCN) и базы данных FishBase, в 2025 году в мире насчитывалось более 35 000 описанных видов рыб. При этом каждый год учёные открывают сотни новых видов, особенно в глубоководных зонах океанов^[42].

Среди морских обитателей, которые относятся к рептилиям, можно выделить черепах, змей, черепах, игуан и крокодилов. Большинство современных морских рептилий, за исключением некоторых морских змей, являются откладывают яйца, для чего им необходимо вернуться на сушу. Таким образом, большинство видов проводят большую часть своей жизни на суше или рядом с ней, а не в океане. Несмотря на приспособленность к морской среде, морские змеи также предпочитают мелкие воды вблизи суши, вокруг островов и устьев рек. Они также выбирают места, где вода в некоторой степени защищена. Некоторые вымершие морские рептилии, такие как ихтиозавры, эволюционировали до живородящих и не нуждались в возвращении на сушу для размножения^[43].

Птицы, которые приспособились к жизни в морской среде, часто называются морскими птицами. К таким птицам можно отнести альбатросовых, пингвиновых и чистиковых. Несмотря на то что они проводят большую часть жизни в океане, некоторые виды, например, чайки, часто можно встретить за тысячи километров от побережья^[44].

Существует пять основных видов морских млекопитающих: китообразные, например, зубатые киты и усатые киты; сирены, такие как ламантины; ластоногие, включая тюленей и моржей; морские выдры; и белые медведи. Всем этим животным необходим воздух, поэтому, хотя некоторые из них, например, кашалот, могут погружаться в воду на длительное время, все они должны всплывать на поверхность, чтобы вдохнуть^[45][46].

Изучением морской биологии начал заниматься Аристотель (384—322 гг. до н. э.)^[47], который наблюдал за жизнью в море у берегов острова Лесбос. Его труды стали основой для многих последующих открытий. В 1768 году Самуэль Готтлиб Гмелин (1744—1774) опубликовал «Historia Fucorum» — первую работу, посвящённую морским водорослям. Это была первая книга по морской биологии, в которой использовалась новая биноминальная номенклатура Линнея. В ней были подробные иллюстрации морских водорослей на сложенных листах^[48][49]. Основателем науки о морской биологии обычно считается британский натуралист Эдвард Форбс (1815—1854). В XIX веке океанографические и морские биологические исследования активно развивались^[50].

Первые наблюдения за морской биологией стали отправной точкой для эпохи Великих географических открытий и последующих исследований. В это время было накоплено огромное количество знаний о жизни в мировом океане. Многие морские экспедиции внесли свой вклад в науку. Среди наиболее значимых были путешествия на борту Корабля Его Величества «Бигль» (HMS Beagle), в ходе которых Чарльз Дарвин сформулировал свои теории эволюции и образования коралловых рифов^[52]. Другая значимая экспедиция была проведена на корабле «Челленджер» (HMS Challenger), в ходе которой были сделаны открытия о богатом видовом разнообразии фауны, что побудило экологов-популяционистов к разработке теорий о том, как такое разнообразие жизни могло сохраниться в среде, считавшейся непригодной для существования. Данный период был ключевым в истории морской биологии, однако учёные-натуралисты всё ещё были ограничены в своих исследованиях, поскольку не располагали технологиями, позволяющих детально изучать виды, обитающие в глубинах океанов^[53].

Создание морских лабораторий стало значительным шагом в развитии морской биологии, поскольку позволило учёным проводить исследования и обрабатывать образцы, полученные в ходе экспедиций. Одна из самых старых морских лабораторий в мире, Station biologique de Roscoff, была основана в 1859 году в Конкарно, Франция, по инициативе Колледжа Франции^[54]. В США в 1903 году появился Институт океанографии Скриппс, а в 1930 году — известный Океанографический институт Вудс-Хоул^[55]. Благодаря развитию новых технологий, таких как звуковая навигация и дальномеры, снаряжение для подводного плавания, подводные аппараты и дистанционно управляемые аппараты, морские биологи смогли открыть и исследовать жизнь на глубинах океанов^[56]. Интерес общественности к этой теме продолжал расти в послевоенные годы, особенно после публикации морской трилогии Рейчел Карсон (1941—1955) под названием «Грань моря» (англ. The Edge of the Sea), повествующей о жизни прибрежных экосистем, в частности на Восточном побережье США.

В 1960 году батискаф «Триест» совершил погружение на самую глубокую точку на планете — Марианскую впадину. Командирами судна были Жак Пиккар и Дон Уолш. Их открытия на дне океана вызвали интерес к жизни в глубоководной зоне^[22][23][24].