Гипотеза про еволюцію співтовариств рослин та тварин в Байкалі в останні 37 тисяч літ

Гипотеза про еволюцію співтовариств рослин та тварин в Байкалі останні 37 тисяч лет.

Е. Павлова, учениця 11 класу «Л» ліцею № 3.

Предлагаемая вашій увазі стаття належить перу старшокласниці. Але вона написана на високому науковому рівні, і є огляд публікацій, як вітчизняних, і закордонних, з дуже актуальною в байкаловедении темі — про вплив кліматичних змін еволюцію унікального тварини рослинного світу озера. Слід зазначити, що «теорія катастроф», які відбулися неодноразово зустрічався з байкальской биотой в недавні геологічні періоди, хоч і отримало останнім часом значно більше прибічників, ніж раніше, все-таки неспроможна вважатися знайшла загальне визнання. Необхідні подальші дослідження та дискусії вчених, як інтерпретувати дані глибинного буріння, а інших зразків донних відкладень озера. Тож якщо залишки диатомовых водоростей зникають у якихось горизонтах керна, із ще годі було однозначно, що все товща вод величезного озера втратила до відповідного час цих організмів, й у байкальской фауни настала «голодна смерть». У геології які вже майже двоє століть протиборствують два напрями — уніформізм (уявлення про повільному і поступове перебігу природних процесів) і катастрофізм (він пов’язує все що відбуваються зміни з великими катаклізмами, приводящими серед іншого до масовим вымираниям флори і фауни). Мабуть, істина все-таки десь посередині. Проте, ми вважаємо доцільним уявити широкої аудиторії думку «катастрофистов» в викладі Євгенії Павлової. До того ж можливість дуже швидкої еволюції організмів у стислий історичний час справді доведено сучасної генетикой.

В.В. Тахтеев, доктор біології, професор кафедри зоології безхребетних і гідробіології біологічного факультету Іркутського держуніверситету, член редколегії журналу «Волна».

***.

Большинство гіпотез про походження і еволюції грунтувалися на визнання найглибшій давнини співтовариств рослин та тварин озера Байкал (20−25 млн років) [Верещагін, 1940; Кожов, 1973 та інших.]. Передбачалося, що, які населяють відкритий Байкал, заселили 10−15 млн років тому я. При похолоданиях гинули лише мешканці мелководий, поза глибин 2−3 метрів за протягом льодовикових періодів незнищенним залишився жоден біологічний вид [Кожов, 1973].

Другие дослідники обгрунтували гіпотезу у тому, сучасна фауна озер Байкал сформувалася близько 2,5−3,0 млн років тому я [Дорогостайский, 1923; Талиев, 1955; Лукін, 1986]. Жили раніше тварини вимерли за першого похолоданиях, звільнені екологічні ніші було заселено, на думку Є.І. Лукина [1986], іммігрантами з гірських потоков.

Наши уявлення про еволюцію життя жінок у озері Байкалі істотно змінили дані, отримані у результаті запровадження міжнародного проекту «Байкал-бурение» в 90-х роках 20-го століття. Аналіз кернів донних опадів показав, перше похолодання сталося 2,8−2,5 млн років тому я, друге — 1,75−1,45 млн років тому я. Останні 1,6 млн років похолодання повторювалися 18 раз.

Во час похолодання з водної товщі постійно зникали диатомовые водорості. За цей час у Байкалі з’явилося 22 нових виду диатомовых водоростей [Кузьмін і ін., 2001].

Особенно добре вивчені керни донних відкладень, які утворилися протягом останніх 780 тис. лет.

На основі аналізу кернів виділили 19 кліматичних стадій: 10 теплих і 9-те холодних — льодовикових [Карабанов та інших., 2001; Хурсевич та інших., 2001].

В холодні стадії в донних відкладеннях різко знижувалося зміст панцирів диатомовых і цист золотавих водоростей, спикул губок.

Наиболее холодними були стадії (періоди): 71−57 тис. років тому я (ізотопна стадія МИС4) і 37−11 тис. років тому вони (ізотопна стадія МИС2). У ті періоди в донних відкладеннях повністю відсутні панцири диатомовых і цисти золотавих водоростей, спикулы губок [Хурсевич та інших., 2001].

Каковы причини зникнення панцирів диатомовых і цист золотавих водоростей, спикул губок з донних опадів на періоди похолоданий?

Исчезновение залишків організмів з донних відкладень свідчить у тому, що вони були відсутні й у водної товщі озера Байкал.

Первичное органічна речовина в озері Байкал створюється мікроводоростями, які населяють водну товщу і донними водоростями прибережній частини озера. Усі види тварин харчуються безпосередньо чи через харчові ланцюга органічним речовиною, створюваним водоростями. Відсутність водоростей в Байкалі у періоди похолодання означає і відсутність життя жінок у водної товщі і дні озера (поза його прибережній полосы).

Само похолодання були викликати загибель водоростей, оскільки вони можуть існувати у нижній частині льоду. Це показала О. М. Кожова ще 1959 р. [Кожова, 1959]. Перидиниевые водорості активно розвиваються у березні - квітні на нижньої крайці льоду озера Байкал.

Водоросли можуть розвиватись агресивно та в багаторічному паковом льоду. У центральній частині Північного Льодовитого океану скупчення водоростей із високим біомасою виявили поверхневому, середньому і нижньому шарах пакового льоду. У поверхневому шарі домінували фототрофные (з наявністю хлорофілу) динофлагелляты, в нижньому шарі - пеннатные диатомовые водорості [Gradinger, 1999].

В останній період похолодання (37−11 тис. років тому вони) виникали льодовики на горах, оточуючих північну улоговину Байкалу, льодовики опускалися до озера і утворювали айсберги [Карабанов та інших., 2001]. Льодовики виникали усім горах, оточуючих озеро Байкал, заввишки більше 1500 м вище над рівнем моря. У час льодовий покрив на озері руйнувався. Отож не можна вважати, причиною зникнення диатомовых водоростей і золотавих стало освіту багаторічного льоду на Байкалі [Палеолимнологические реконструкції…, 1989].

Как відомо, водорості синтезують первинне органічна речовина, пов’язуючи вуглекислий на газ і біогенні елементи (сполуки фосфору, азоту, сірки, кремнію і ін.) під впливом сонячного світла з участю фотосинтетических пігментів, і насамперед, хлорофілу «а».

Из біогенних речовин найважливіші сполуки фосфору, бо окремі водорості (наприклад, синезеленые) можуть синтезувати сполуки азоту, використовуючи атмосферне азот, завжди що міститься у атмосфери і що надходить звідти у водне толщу.

Резкое скорочення надходження сполук фосфору можуть призвести до значного зниження продукції первинного вещества.

Расчеты показують, що з скороченні надходжень фосфору до озера Байкал в 3 разу по порівнянню із сучасним, запаси фосфору в озері (близько тис. т.) скоротило б удесятеро за 100 років, а концентрація фосфору — до 1 мг м-3. Під час такої концентрації фосфору жоден вид прісноводних водоростей неспроможна существовать.

Диатомовые водорості витрачають на синтез одиниці органічного речовини в 3−5 разів менша фосфору, ніж синезеленые, зелені і динофитовые водорості [Петрова, 1990]. Вони (диатомовые) можуть існувати при концентраціях мінеральних форм фосфору близько 1,7 мкг/л і створювати первинну продукцію до 100 р вуглецю під 1 м2/год (озеро Верхнє - найбільше озеро з Великих американських озер) [Thomas et al., 1980].

Большинство видів синезеленых водоростей може існувати при мінімальних концентраціях мінерального фосфору, рівних 10 мкг/л [Хупер, 1977; Lean, Pick, 1981].

Можно припустити, що з істотному зниженні надходжень фосфору до озера Байкал під час похолодань насамперед з водної товщі зникли синезеленые і зелені водорості, потім динофитовые й у останню — диатомовые водоросли.

В Байкалі при інтенсивному розвитку диатомовых водоростей у Красноярську деякі сезони року концентрації мінеральних форм фосфору можуть знижуватися в 3 разу [Вотинцев та інших., 1975] і вегетація водоростей припиняється. Вегетація водоростей починається тільки тоді ми, коли фосфор з глибини 100−300 м вступає у верхні верстви води [Lake Baikal., 1998].

Предположение у тому, що під час похолодань, що супроводжуються освітою льодовиків, в Байкалі існували і нормально вегетировали лише синезеленые водорості [Афоніна, Карабанов, 2001] суперечить особливостям фізіології синезеленых водоростей (на одиницю синтезованого речовини вони витрачають в 3−5 разів більше фосфору, ніж диатомовые водорості [Петрова, 1990].

Анализ усіх можливих матеріалів дозволяє: зробити те, що під час останнього похолодання (37−11 тис. років тому вони) продукція органічного речовини в водної товщі відкритого Байкалу була або мізерно мала, або зовсім була відсутня, а як наслідок (відсутність синтезу первинного органічного речовини) були відсутні тварини, бо було водоростей, які продукують первинне органічна речовина, отже, був їжі для зоопланктону, риб і донних животных.

В глибоководнішій частині Середнього і Південного Байкалу диатомовые водорості з’явилися близько 11 тис. років тому вони [Хурсевич, 2001], не в Північному Байкалі близько 7,5 тис. років тому [Безрукова та інших., 1991].

В кернах, взятих у Північному Байкалі на глибинах 985 м, 922 метрів і 810 метрів за донних відкладеннях із віком близько 8 тис. років гуминовые кислоти (продукт розкладання органічного речовини) були виявлено [Афоніна, Карабанов, 2001]. Не виключено, що таке життя 7,5 тис. років тому у глибоководнішій частині Північного Байкалу була відсутня, а 10 тис. років тому була відсутня в глибоководнішій частині Середнього і Південного Байкала.

Остается припустити, що таке життя в озері Байкал під час останнього похолодання (37−11 тис. років тому вони) зберігалася у прибережній частини озера до глибин 20 м.

Подводные схили улоговини озера влаштовані так: від урізу води йде мілководна тераса з кутами нахилу трохи більше 70 до глибин 15−20 м, потім ухил зростає до 30−600 до глибин 700−900 м, і розпочинається щодо вирівняне дно [Lake Baikal…, 1998]. Ширина прибережній підводного тераси коштує від 50 до 500 м у західного береги, і до 1000 м у східного берега.

В період похолодання стік води до озера Байкал скорочувався, проте який рівень води було зменшитися понад 2 м. Саме тоді ріка Ангара вже була і за зниженні рівня озера на 2 м стік води з озера припинявся. Більше суворі кліматичні умови у період (середньорічна температура близько -60С, незначна кількість опадів [Палеокліматичні реконструкції., 1987]) різко знижували випаровування вологи з акваторії озера, і з незайнятих ледником територій здійснювався стік води в озеро.

В прибережні води надходило органічна речовина — залишки наземної рослинності. На мілководді залишки наземної рослинності піддавалися бактеріальної деструкції. Бактеріями могли харчуватися динофлагелляты (найпростіші, здатні до гетеротрофному харчуванню, але повинні хлоропласти, містять фотосинтетические пігменти, отже, здатні до фотосинтезу органічного вещества).

В озерах з низькою концентрацією біогенних речовин харчова ланцюг починається ні з фотосинтезирующих водоростей, і з бактерій. Комплекс «бактерии-динофлагелляты» створює первинне органічна речовина, що забезпечує існування решти населення — інфузорій, нижчих ракоподібних, коловерток тощо. [Jansson et al., 2000].

Во час похолоданий-оледенений життя Байкалі зберігалася на прибережних мілководних терасах там, де не знищувалася сповзаючими з гір льодовиками — вздовж західного узбережжя Південного Байкалу.

Об цьому свідчить і вертикальне розподіл ендемічних видів таксономических груп із високим рівнем эндемизма.

В зоні глибин 0−20 м живе 59,1% ендемічних видів гаммарид (рівень эндемизма групи 99,1%), 84,2% ендемічних видів остракод (рівень эндемизма групи — близько 100%), 77,9% ендемічних видів турбеллярий (рівень эндемизма групи 94,6%), 70,2% ендемічних видів молюсків (рівень эндемизма групи 58,0%) [Його розраховано за даними, наведеним у Lake Baikal…, 1998].

Несомненно, що видоутворення йшло на прибережних мілководних терасах. Заселення глибин після останнього похолодання відбувалося зі мелководий західного берега озера. А ще вказує значний діапазон глибин, у якому може жити і той ж вид: 21,4% всіх видів гаммарид, 8% турбеллярий, 10% олигохет, 5% остракод, 3% молюсків є у диапозоне глибин від 1 до 1500 м [Lake Baikal…, 1998].

Большинство дослідників [Кожов, 1962; Талиев, 1948; Лукін, 1986] підкреслювали, що сучасна фауна Байкалу утворилася від небагатьох видов-основателей. Нові види освоювали нові ніші і ще більше віддалялися морфологічно від видов-основателей, так 225 нинішніх видів гаммарид походять від 4−5 видов-основателей, 28 видів бичків — від 2−3 видів, 77 видів турбеллярий — від 3−4 видів [Lake Baikal…, 1998].

Если врахувати, що види тварин, котрі живуть на глибинах більш 20−50 м було неможливо зберегтися під час останнього похолодання, можна припустити, що швидкість видоутворення має бути дуже висока, позаяк у зараз у Байкалі близько 1800 видів звірів [Lake Baikal…, 1998].

Основное становище теорії молекулярну еволюцію — сталість швидкості еволюції. Швидкість еволюції з урахуванням мутацій низька: 1 рід за 10 млн років, 1 вид за 1 млн років. Основоположник цієї теорії М. Кімура [1985] підкреслював, що молекулярна еволюція і организменная еволюція мають використовувала різні механізми. Види можуть утворюватися за термін, ніж пророкує теорія молекулярної эволюции.

Палеонтологические дані, отримані при бурінні донних відкладень озера Байкал, свідчать, що інтервали існування деяких видів диатомовых водоростей з цієї родини стефанодискус надзвичайно короткі - 13−15 тис. років [Хурсевич та інших., 2001].

В 1970;1990;е роки 20 століття отримано дані про те, що чимало мутації не мають нейтральним дією, а їхнє накопичення може бути різною до різних ділянок ДНК і різними етапах еволюції. З іншого боку, було виявлено роль повторюваних нуклеотидних послідовностей ДНК і мобільних елементів ДНК в швидких перетвореннях генома.

В час відомі механізми швидких спадкових перетворень [Голубовський, 2001]. Існують двома способами спадкових змін: облигатный — виникнення мутацій і факультативний — активація деяких повторюваних послідовностей нуклеотидів («молчащих генів») і включення до «працюючі» гени мобільних елементів ДНК. За підсумками факультативних змін можлива швидка реакція популяції зміну середовища, яка веде до «спалах мутацій», і за збереженні цих умов — швидкого видообразованию. Види тварин можуть утворюватися за 3−7 тис. років. Це показано щодо фауни Балтійського моря [Мордухай-Болотовской, 1960]. Висока швидкість видоутворення не суперечить та принципами сучасної генетики.

Можно вважати обгрунтованим те, що заселення глибоководнішій частині Байкалу після останнього похолодання (37−11 тис. років тому я) відбувався за останні десять тис. років. Під час похолодання життя зберігалася на прибережних мілководних терасах. При поліпшенні умов різко прискорювався процес видоутворення донних тварин, нові види займали вільні екологічні ніші. У цьому вся причина високого рівня эндемизма мешканців дна озера Байкал.

Список литературы

Karabanov E.B., Bezrukova E., Granina L. et al. Climatic sedimentation rhythms of Baikal sediments // Internat. Project of Paleolimnology and Late Cenozoic Climate (IPPCCE) Newsletter. — 1992. — Vol. 6. — P. 21−30.

Петрова Н. А. Сукцессии фітопланктону при антропогенном эвтрофировании великих озер. — Л.: Наука, 1990. — 200 с.

Thomas N.A., Robertson A., Sonzogni W.C. Review of controls projectives: new target loads input controls // Phosphorus management strategies for lakes. Ann. Arbor, 1980. — P. 61−90.

Хупер Ф. Походження і щаслива доля органічних сполук фосфору у водних системах // Фосфор у навколишньому середовищі. — М.: Світ, 1977. — З. 204−231.

Вотинцев К.К., Мещерякова А.І., Попівська Г.І. Круговорот органічного речовини в озері Байкал. — Новосибірськ: Наука, 1975. — 189 с.

Карабанов Е.Б., Прокопенко А. А., Кузьмін М.И., Вільямс Д.Ф., Гвоздков О. Н., Кербер Є.В. Зледеніння і межледниковье Сибіру — палеоклиматическая запис з озера Байкал і її кореляція з западно-сибирской стратиграфией // Геологія і геофізика. — 2001. — Т. 42, № 1−2. — З. 48−63.

Хурсевич Г. К., Карабанов Е. Б., Прохоренко А. А., Вільямс Д.Ф., Кузьмін М.И., Феденя С. А., Гвоздков О. Н., Кербер Є.В. Детальна діатомова биостратиграфия опадів озера Байкал за доби Брюнес і кліматичні чинники видоутворення // Геологія і геофізика. — 2001. — Т. 42, № 1−2. — З. 108−129.

Кузьмин М.И., Карабанов Е. Б., Каваї Т., Вільямс Д. і д.р. Глибоководне буріння на Байкалі - основні результати // Геологія і геофізика. — 2001. — Т. 42, № 1−2. — З. 8−34.

Кожова О. М. Про подледном «цвітінні» озера Байкал // Ботан. журн. — 1959. — Т. 44, № 7. — С.1001−1004.

Gradinger R. Vertical fine structure of the biomass and composition of algae communities in Arctic pack ice // Mar. Biol. — 1999. — Vol. 133, No. 4. — P. 745−754.

Палеолимнологические реконструкції. Байкальська рифтовая зона / Попова С. М. та інших.; Відп. ред. Н. А. Логачев. — Новосибірськ: Наука, 1989. — 111с.

Безрукова Є.В., Богданов Ю. О., Вільямс Д.Ф. і д.р. Глибокі зміни екосистеми Північного Байкалу в голоцене // Докл. АН СРСР. — 1991. — Т. 321, № 5. — С.1032−1037.

Lake Baikal. Evolution and Biodiversity. Ed. by O.M. Kozhova and L.R. Izmest’eva. — Leiden: Backhuys Publishers, 1998. — 447 p.

Лукин Є.І. Фауна відкритих вод Байкалу, її особливості і походження // Зоол. журн. — 1986. — Т.65, вип. 5. — З. 668−675.

Кожов М.М. Біологія озера Байкал. — М: Вид-во АН СРСР, 1962. — 315 с.

Талиев Д. Н. До питання темпах і причини дивергентной еволюції байкальских Cottoidea // Тр. Байкальской лимнолог. станції. — Листвянка, 1948. — № 12. — З. 107−158.

Талиев Д.Н. Бычки-подкаменщики. — М.-Л.: Вид-во АН СРСР, 1955. — 603 с.

Кимура М. Молекулярна еволюція: теорія нейтральності / Пер. з анг. — М.: Світ, 1985. — 394 с.

Голубовский М.Д. Неканонічні спадкові зміни // Природа. — 2001. — № 8. — З. 3−9.

Мордухай-Болтовской Ф.Д. Каспійська фауна в Азово-Чорноморському басейні. — М.-Л.: Вид-во АН СРСР, 1960. — 287 с.

Кожов М. М. Становлення та шляхи еволюції фауни озера Байкал // Проблеми еволюції. Т. 3. — Новосибірськ: Наука, 1973. — З. 5−30.

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.