Введение
Антарктический криль (Euphausia superba) – вид криля, обитающий в антарктических водах Южного океана. Это небольшой плавающий ракообразный, который живет большими скоплениями, называемыми роями, иногда достигающими плотности 10 000–30 000 особей на кубический метр. Он питается непосредственно микроскопическим фитопланктоном, тем самым используя энергию первичной продукции, которую фитопланктон изначально получил от солнца, для поддержания своего пелагического (океанического) жизненного цикла. Он вырастает до определенной длины, весит до определенного значения и может жить до шести лет. Это ключевой вид в антарктической экосистеме и, с точки зрения биомассы, один из самых многочисленных видов животных на планете – приблизительно .
Antarctic krill (Euphausia superba) is a species of krill found in the Antarctic waters of the Southern Ocean. It is a small, swimming crustacean that lives in large schools, called swarms, sometimes reaching densities of 10,000–30,000 individual animals per cubic metre. It feeds directly on minute phytoplankton, thereby using the primary production energy that the phytoplankton originally derived from the sun in order to sustain their pelagic (open ocean) life cycle. It grows to a length of , weighs up to , and can live for up to six years. It is a key species in the Antarctic ecosystem and in terms of biomass, is one of the most abundant animal species on the planet approximately .
Жизненный цикл
Основной сезон нереста антарктического криля длится с января по март, как над континентальным шельфом, так и в верхних слоях глубоководных океанических районов. Как и у всех крилей, самец прикрепляет сперматофор к половому отверстию самки. Для этого первые плеоподы (ноги, прикрепленные к брюшку) самца служат инструментом для спаривания. Самки откладывают одновременно 6000–10 000 яиц. Оплодотворение происходит по мере их выхода из полового отверстия. Согласно классической гипотезе Марриозиса Де’Абртона, основанной на результатах экспедиции знаменитого британского научно-исследовательского судна RRS Discovery, развитие яйца происходит следующим образом: гаструляция (превращение яйца в эмбрион) начинается во время опускания яиц на дно шельфа, в океанических районах на глубинах около… Яйцо вылупляется в личинку науплиус; после линьки в метанауплиус, молодое животное начинает мигрировать к поверхности в процессе, известном как восходящая миграция. Следующие две личиночные стадии, называемые вторым науплиусом и метанауплиусом, еще не питаются, но используют остатки желтка. Через три недели молодой криль завершает восхождение. Они могут появляться в огромном количестве, до 2 особей на литр воды. По мере роста следуют дополнительные личиночные стадии (второй и третий калиптопсис, первая – шестая фурцилия). Они характеризуются прогрессивным развитием дополнительных ног, фасеточных глаз и щетинок. В конечном итоге, молодь криля приобретает облик взрослой особи. Криль достигает половой зрелости через два-три года. Как и все ракообразные, криль должен линять для роста. Примерно каждые 13–20 дней криль сбрасывает свой хитиновый экзоскелет, оставляя его в виде экзувия.
Еда
Внутри E. superba часто можно увидеть зеленое свечение, просвечивающее сквозь прозрачную кожу. Этот вид питается преимущественно фитопланктоном – особенно очень мелкими диатомовыми водорослями (20 мкм), которые он фильтрует из воды с помощью кормового аппарата. Стеклянные панцири диатомовых водорослей измельчаются в желудочной мельнице, а затем перевариваются в гепатопанкреасе. Криль также может ловить и поедать копепод, амфипод и другой мелкий зоопланктон. Кишечник имеет вид прямой трубки; его пищеварительная эффективность невысока, поэтому в фекалиях сохраняется значительное количество углерода. Антарктический криль (E. superba) в основном обладает хитинолитическими ферментами в желудке и средней кишке для расщепления хитиновых шипов на диатомовых водорослях, а состав дополнительных ферментов может варьироваться в зависимости от его разнообразного рациона. В аквариумных условиях наблюдалось, что криль поедает сородичей. В случае недостатка пищи они уменьшаются в размерах после линьки, что необычно для животных таких размеров. Вероятно, это адаптация к сезонности доступности пищи, которая ограничена в темные зимние месяцы под льдом. Однако сложные глаза животного не уменьшаются в размерах, поэтому соотношение между размером глаз и длиной тела является надежным индикатором голодания. У криля с достаточным количеством пищи глаза пропорциональны длине тела, в то время как у голодающего криля глаза кажутся больше, чем обычно.
Фильтрационное питание
Антарктический криль непосредственно поглощает крошечные клетки фитопланктона, что не под силу ни одному другому животному сопоставимого размера. Это достигается посредством фильтрационного питания, с использованием высокоразвитых передних ног криля, формирующих эффективный фильтрующий аппарат: шесть торакоподов (ноги, прикрепленные к груди) создают "кормовую корзину", используемую для сбора фитопланктона из открытой воды. В наиболее эффективных участках отверстия в этой корзине достигают всего 1 мкм в диаметре. При низкой концентрации пищи кормовая корзина проталкивается через воду на расстояние более полуметра в раскрытом положении, после чего водоросли направляются ко рту с помощью специальных щетинок на внутренней стороне торакоподов.
Рашевание ледяных водорослей
Антарктический криль может соскребать зеленый покров из ледяных водорослей с нижней стороны припая. У криля развились специальные ряды гребенчатых щетинок на кончиках грудоногих, и они выщипывают водоросли с льда зигзагообразными движениями. Один криль может очистить участок площадью в квадратный фут примерно за 10 минут (1,5 см²/с). Недавние открытия показали, что пленка ледяных водорослей хорошо развита на огромных территориях и часто содержит больше углерода, чем вся толща воды под ней. Здесь криль находит обширный источник энергии, особенно весной, после периода ограниченной доступности пищи зимой.
Биологический насос и углеродный поглотитель
Считается, что криль ежедневно совершает от одной до трех вертикальных миграций из перемешанных поверхностных вод на глубину до 100 м. Криль питается крайне неаккуратно, часто выплевывая агломераты фитопланктона (комки), содержащие тысячи слипшихся клеток. Он также выделяет фекальные нити, которые все еще содержат значительное количество углерода и кремнеземные панцири диатомовых водорослей. Оба эти образования тяжелые и очень быстро опускаются в бездну. Этот процесс называется биологическим насосом. Поскольку воды вокруг Антарктиды очень глубокие, они служат поглотителем углекислого газа: в результате этого процесса из биосферы удаляется большое количество углерода (в форме фиксированного углекислого газа, CO2) и он секвестрируется на приблизительно 1000 лет. Если фитопланктон потребляется другими компонентами пелагической экосистемы, большая часть углерода остается в верхних слоях океана. Существует предположение, что этот процесс является одним из крупнейших механизмов биологической обратной связи на планете, возможно, самым масштабным, обусловленным огромной биомассой. Для количественной оценки экосистемы Южного океана необходимы дальнейшие исследования.
Биолюминесценция
Криль часто называют "легкими креветками", потому что они излучают свет через биолюминесцентные органы. Эти органы расположены на различных частях тела отдельных особей криля: одна пара органов – на глазном стебле (см. изображение головы выше), другая пара – на бедрах второго и седьмого торакоподов, и по одному органу – на четырех плеонстернитах. Эти световые органы периодически излучают желто-зеленый свет в течение до 2–3 секунд. Они настолько развиты, что их можно сравнить с фонариком. В задней части органа находится вогнутый отражатель, а в передней – линза, которая направляет производимый свет. Весь орган может вращаться при помощи мышц, что позволяет направить свет в определенную область. Функция этих световых органов до конца не выяснена; некоторые гипотезы предполагают, что они служат для маскировки тени криля, чтобы он не был виден хищникам снизу; другие предположения указывают на то, что они играют важную роль в процессе спаривания или формирования косяков в ночное время. Биолюминесцентные органы криля содержат несколько флуоресцентных веществ. Основной компонент имеет максимальную флуоресценцию при возбуждении на длине волны 355 нм и излучении на длине волны 510 нм.
Реакция отхода
Криль использует реакцию бегства, чтобы уклониться от хищников, очень быстро отплывая назад, резко изгибая заднюю часть тела. Этот способ плавания также известен как "лобстеринг". Несмотря на низкую температуру, время реакции на оптический стимул составляет всего 55 мс.
Геном
Геном E. superba составляет около 48 ГБ и, таким образом, является одним из крупнейших в животном царстве и самым большим геномом, собранным на сегодняшний день. Содержание повторов в его ДНК составляет около 70% и может достигать 92,45% после дополнительной аннотации повторов, что также является самой высокой известной долей повторов в любом геноме. Признаков полиплоидии не обнаружено. Шао и соавторы аннотировали 28 834 гена, кодирующих белки, в геноме антарктического криля, что сопоставимо с другими животными геномами. Длина генов и интронов антарктического криля заметно короче, чем у двоякодышащих рыб и мексиканского аксолотля – двух других животных с гигантскими геномами.
Географическое распространение
Антарктический криль имеет циркумполярное распространение, встречаясь по всему Южному океану и до Антарктической конвергенции на севере. На Антарктической конвергенции холодные антарктические поверхностные воды погружаются под более теплые субантарктические воды. Этот фронт проходит примерно на 55° южной широты; оттуда до континента Южный океан занимает 32 миллиона квадратных километров. Это в 65 раз больше Северного моря. В зимний сезон более трех четвертей этой площади покрываются льдом, в то время как летом она становится свободной ото льда. Воды Южного океана формируют систему течений. При преобладании западных ветров поверхностные слои перемещаются вокруг Антарктиды в восточном направлении. Вблизи континента Восточный дрейф движется против часовой стрелки. На границе между ними развиваются крупные вихри, например, в море Уэдделла. Стаи криля перемещаются вместе с этими водными массами, формируя единый запас вокруг Антарктиды с обменом генов по всей территории. В настоящее время мало что известно о точных путях миграции, поскольку отдельные особи криля еще нельзя пометить для отслеживания их передвижений. Самые крупные скопления видны из космоса и могут отслеживаться со спутников. Одна стая покрывала площадь океана, достигающую глубины, и, по оценкам, содержала более 2 миллионов тонн криля. Недавние исследования показывают, что криль не просто пассивно дрейфует в этих течениях, а фактически их модифицирует. Он также является важным источником пищи для китов, тюленей (таких как тюлени-леопарды, морские котики и тюлени-крабоеды), кальмаров, ледяных рыб, пингвинов, альбатросов и многих других видов птиц. Тюлени-крабоеды даже развили специальные зубы для ловли этого обильного источника пищи: их необычные многолопастные зубы позволяют этому виду просеивать криль из воды. Их зубная система выглядит как идеальный фильтр, но детали ее работы до сих пор неизвестны. Тюлени-крабоеды – самый многочисленный вид тюленей в мире; 98% их рациона составляют *E. superba*. Эти тюлени потребляют более 63 миллионов тонн криля ежегодно. Тюлени-леопарды развили схожие зубы (45% криля в рационе). Все тюлени потребляют 63–130 миллионов тонн, все киты – 34–43 миллиона тонн, птицы – 15–20 миллионов тонн, кальмары – 30–100 миллионов тонн, а рыбы – 10–20 миллионов тонн, что в сумме составляет 152–313 миллионов тонн потребляемого криля ежегодно. Размерный разрыв между крилем и его добычей необычайно велик: обычно требуется три или четыре этапа от 20 мкм фитопланктонных клеток до организма размером с криль (через мелких копепод, крупных копепод, мизид до 5 см рыб). Причина, по которой антарктический криль способен создавать такую высокую биомассу и продуктивность, заключается в том, что воды вокруг ледяного континента Антарктиды содержат одно из крупнейших скоплений планктона в мире, возможно, самое большое. Океан изобилует фитопланктоном; по мере подъема воды из глубин к хорошо освещенной поверхности она приносит питательные вещества из всех океанов мира обратно в фотическую зону, где они снова становятся доступными для живых организмов. Таким образом, первичное производство – преобразование солнечного света в органическую биомассу, основу пищевой цепи – обеспечивает годовую фиксацию углерода в 1–2 г/м² в открытом океане. Вблизи льда этот показатель может достигать 30–50 г/м². Эти значения не являются выдающимися по сравнению с высокопродуктивными районами, такими как Северное море или зоны апвеллинга, но площадь, на которой это происходит, огромна, даже по сравнению с другими крупными первичными производителями, такими как тропические леса. Кроме того, в течение антарктического лета существует много часов дневного света, поддерживающих этот процесс. Все эти факторы делают планктон и криль критически важной частью экоцикла планеты.
The waters of the Southern Ocean form a system of currents. Whenever there is a West Wind Drift, the surface strata travels around Antarctica in an easterly direction. Near the continent, the East Wind Drift runs counterclockwise. At the front between both, large eddies develop, for example, in the Weddell Sea. The krill swarms swim with these water masses, to establish one single stock all around Antarctica, with gene exchange over the whole area. Currently, there is little knowledge of the precise migration patterns since individual krill cannot yet be tagged to track their movements. The largest shoals are visible from space and can be tracked by satellite. One swarm covered an area of of ocean, to a depth of and was estimated to contain over 2 million tons of krill. Recent research suggests that krill do not simply drift passively in these currents but actually modify them. and provides an important food source for whales, seals (such as leopard seals, fur seals, and crabeater seals), squid, icefish, penguins, albatrosses and many other species of birds. Crabeater seals have even developed special teeth as an adaptation to catch this abundant food source: its unusual multilobed teeth enable this species to sieve krill from the water. Its dentition looks like a perfect strainer, but how it operates in detail is still unknown. Crabeaters are the most abundant seal in the world; 98% of their diet is made up of E. superba. These seals consume over 63 million tonnes of krill each year. Leopard seals have developed similar teeth (45% krill in diet). All seals consume 63–130 million tonnes, all whales 34–43 million tonnes, birds 15–20 million tonnes, squid 30–100 million tonnes, and fish 10–20 million tonnes, adding up to 152–313 million tonnes of krill consumption each year. The size step between krill and its prey is unusually large: generally it takes three or four steps from the 20 μm small phytoplankton cells to a krill sized organism (via small copepods, large copepods, mysids to 5 cm fish). The reason Antarctic krill are able to build up such a high biomass and production is that the waters around the icy Antarctic continent harbour one of the largest plankton assemblages in the world, possibly the largest. The ocean is filled with phytoplankton; as the water rises from the depths to the light flooded surface, it brings nutrients from all of the world's oceans back into the photic zone where they are once again available to living organisms. Thus primary production—the conversion of sunlight into organic biomass, the foundation of the food chain—has an annual carbon fixation of 1–2 g/m2 in the open ocean. Close to the ice it can reach 30–50 g/m2. These values are not outstandingly high, compared to very productive areas like the North Sea or upwelling regions, but the area over which it takes place is enormous, even compared to other large primary producers such as rainforests. In addition, during the Austral summer there are many hours of daylight to fuel the process. All of these factors make the plankton and the krill a critical part of the planet's ecocycle.
Снижение с уменьшением массы льда
Возможное снижение биомассы антарктического криля может быть вызвано сокращением площади пакового льда из-за глобального потепления. Антарктический криль, особенно на ранних стадиях развития, нуждается в структурах пакового льда для повышения шансов на выживание. Паковый лёд предоставляет естественные пещерообразные укрытия, которые криль использует для защиты от хищников. В годы с небольшим количеством пакового льда криль, как правило, уступает место сальпам – свободно плавающим фильтраторам бочкообразной формы, которые также питаются планктоном.
Окисление океана
Еще одна проблема для антарктического криля, как и для многих кальцинирующих организмов (кораллов, двустворчатых моллюсков, улиток и т.д.), – это закисление океана, вызванное ростом уровня углекислого газа. Экзоскелет криля содержит карбонат, который восприимчив к растворению в условиях низкого pH. Уже показано, что повышенный уровень углекислого газа может нарушать развитие икринок криля и даже препятствовать вылуплению личинок, что в будущем может привести к повсеместному снижению успешности вылупления криля в различных регионах. Дальнейшее влияние закисления океана на жизненный цикл криля пока неясно, однако ученые опасаются, что оно может существенно повлиять на его распространение, численность и выживаемость.
Рыболовство
Рыболовство антарктического криля составляет около 100 000 тонн в год. Основными странами-ловцами являются Южная Корея, Норвегия, Япония и Польша. Продукция используется в качестве корма для животных и приманки для рыбы. Промысел криля затруднен в двух важных отношениях. Во-первых, крилевая сеть должна иметь очень мелкую ячею, что создает значительное сопротивление и генерирует волну, отводящую криль в стороны. Во-вторых, мелкая ячея быстро забивается. Еще одна проблема заключается в подъеме улова криля на борт. Когда полная сеть извлекается из воды, организмы сжимаются, что приводит к значительной потере жидкости крилем. Проводились эксперименты по перекачке криля, находящегося в воде, через большую трубу на судно. В настоящее время также разрабатываются специальные сети для ловли криля. Переработка криля должна осуществляться очень быстро, поскольку улов портится в течение нескольких часов. Высокое содержание белка и витаминов делает криль вполне пригодным как для непосредственного употребления в пищу человеком, так и для производства кормов для животных. Лов и потенциальный перелов криля вызывают растущую обеспокоенность.