Океани Коли водорості стають отруйною зброєю - спектр науки
Океани: Коли водорості стають отруйною зброєю
Очікуючи багато ризиків, коли вирушаєш у авантюрну експедицію у невідомі води. Але смертельні молюски? Британський мореплавець Джордж Ванкувер навряд чи мав цю загрозу на своєму радарі, коли він досліджував узбережжя Британської Колумбії в 1793 році. Проте, здавалося б, нешкідлива їжа з морепродуктів повинна коштувати члену екіпажу життя. Очевидно, чоловік пережив смертельне отруєння, яке медичні працівники тепер знають як "паралітичне отруєння мідіями та крабами". Це викликається групою високоефективних нервових токсинів, «паралітичних токсинів молюсків» (PST). Найвідоміший із них - сакситоксин, з якого менше міліграма може вбити дорослу людину.
Згідно з повідомленнями Ванкувера, корінні канадці, схоже, знали цю небезпеку вже тоді. Коли вночі в морі плавали блискучі килими з водоростей, страви з мідій місцеві жителі вважали табу. І це був цілком розумний запобіжний захід. Тому що ці килими можуть бути масовими розробками найпростіших з роду Александрій. Вони виробляють сакситоксин, який потім накопичується в харчовому ланцюзі.
Наприклад, мідії можуть фільтрувати мільйони одноклітинних організмів та їх небезпечний вантаж з води за одну годину під час такого цвітіння водоростей. Як правило, вони не гинуть від токсинів, але часто відкладають їх у своєму тілі у високій концентрації. І тоді це стає небезпечним для любителів морепродуктів. Щороку у всьому світі майже 2000 людей отруюються, споживаючи забруднені мідії або рибу, близько 15 відсотків цих випадків є смертельними - і кількість випадків, про які не повідомляється, може бути високою. Така їжа також може мати летальні наслідки для риб та морських птахів, черепах та морських ссавців. Не кажучи вже про економічну шкоду рибному господарству та аквакультурі. Тому вчені хотіли б краще зрозуміти, як відбуваються такі масові події, небезпечні для людей та тварин. Але біологія отруйних квітів все ще сповнена загадок.
Отрути проти вегетаріанців
В даний час експертам відомо близько 100 видів водоростей, які можуть утворювати токсичні сполуки. Це означає, що отруйники - крихітна меншість серед понад 10 000 відомих видів водоростей у Світовому океані. Багато членів цього ексклюзивного клубу належать, як і рід Александрій, до групи динофлагелатів або "броньованих джгутиків". Однак деякі червоні водорості та діатомові водорості також мають у своєму розпорядженні небезпечні речовини. Отрути різних виробників викликають різні симптоми залежно від типу та дози. Спектр варіюється від порушення травлення та втрати пам’яті до серцевої та дихальної недостатності.
Але що насправді спонукає одноклітинні організми до придбання такого арсеналу небезпечних речовин? Давно відомо, що певні зовнішні обставини сприяють токсичності. Наприклад, дуже важливо, які поживні речовини містить вода. Коли динофлагелати розмножуються, вони вбудовують азот і фосфор у свої клітинні компоненти у співвідношенні 16 до 1. Оскільки азоту багато в багатьох місцях, одноклітинні організми з часом вичерпають фосфор. Потім водорості перестають розмножуватися. Однак ваш метаболізм все ще працює на повній швидкості і перетворює надлишок азоту в різні сполуки - включаючи сакситоксин, який містить 30 відсотків азоту, але не фосфор. Наприклад, якщо не вистачає фосфору, вид Alexandrium tamarense збільшує вироблення отрути багаторазово.
Однак довгий час ніхто не міг пояснити, чим корисні ці речовини. На перший погляд, вони не здаються особливо ефективною захисною зброєю, коли мідії можуть без шкоди відфільтровувати маси отруйних водоростей з води. Але є й інші вороги. Крихітні копеподи, наприклад, є не тільки завзятими поїдачами водоростей, але також є одним із найпоширеніших організмів морського зоопланктону - вони є серйозними противниками, проти яких потрібна ефективна оборонна стратегія. Це правда, що деякі види цих міні-крабів, здається, навряд чи вражені Сакситоксином і Ко. Однак в інших дослідженнях отрути виявляли ефекти в різних дослідженнях. Наприклад, уражені тварини страждали від зниження апетиту, зниження плодючості або порушень розвитку, а деякі навіть помирали. І кілька видів ненажерливих вегетаріанців, здається, уникають токсичних водоростей, коли вони мають нетоксичні альтернативи. Тож отруювачі, які краще захищаються, можуть розмножуватися краще, іноді навіть масово.
Виразні сліди у воді
Однак загроза, яку представляють голодні ракоподібні, не завжди однакова. Зрештою, цей зоопланктон розвивається циклами, а також часто перебуває в різні глибини води протягом дня. Як результат, набагато більше ворогів підстерігають смачні водорості в певний час доби та року, ніж в інші. Було б добре, якби потенційні жертви могли реагувати на реальну небезпеку, а не постійно витрачати енергію на дорогу оборонну зброю.
Насправді Ерік Селандер з Університету Гетеборгу в Швеції та його колеги засвідчують отруйників морів дивовижний ступінь гнучкості: наприклад, коли присутні копеподи, наприклад, динофлагеляти Alexandrium minutum виробляють у два з половиною рази більше отрути, ніж зазвичай. І багато інших також токсичні водорості можуть енергійно збільшити своє виробництво, якщо це необхідно. Але як ви насправді помічаєте, коли це необхідно? Шведські дослідники також знайшли відповідь на це питання у своєму останньому дослідженні. Згідно з цим, динофлагеляти - це хитрі шпигуни, які можуть дуже ефективно шпигувати своїх супротивників. Оскільки, як і більшість організмів планктону, вони не мають високорозвинених органів зору, їм доводиться покладатися на їх хімічний сенс. І він, мабуть, реагує на речовини, які їх вороги викидають у воду.
Дослідники виявили вісім таких хімічних зрадників, яких вони назвали "копеподаміди" на честь латинської назви копеподів. Це невеликі молекули, що складаються з органічної кислоти таурину та різних жирних кислот. Раніше подібні сполуки були відомі лише від одноклітинних тварин, морських губок та морських їжаків. Ніхто не знає, для чого вони потрібні копеподам. Вони можуть зіграти роль у травленні.
У будь-якому випадку для Alexandrium minutum ці речовини є сигналом про смертельну небезпеку: в експериментах шведських дослідників одноклітинні організми навіть реагували на найменші кількості води, збільшуючи до 20 разів отруту. Оскільки кожен тип раку виділяє дещо інший коктейль копеподамідів, вони навіть можуть відрізняти своїх опонентів. Хоча деякі види викликали лише слабку реакцію в лабораторних дослідженнях, інші довели маленьких отруйників до пікових показників.
Але чи може це насправді давати про себе знати в морі? Щоб з’ясувати це, вчені вивчали появу ракоподібних та їх виділення в Скагерраку. У цій частині Північного моря, особливо пізньої осені, існує величезна кількість копепод, яких називають Calanus finmarchicus, який є найпоширенішим представником своїх родичів. На думку дослідників, лише ця популяція повинна виділяти достатньо виразних речовин-повідомників, щоб подвоїти токсичність водоростей.
Пістолети на будь-який випадок
Такі наслідки цілком можуть призвести до більш частого цвітіння водоростей, що є проблематичним для людей, тварин та економіки. Тим більше, що краби, мабуть, не єдині вороги, яких виробники одноклітинних отрут ставлять на ноги. Наприклад, нещодавно команда під керівництвом Ганса Дама з Університету штату Коннектикут у США перевірила, як Alexandrium fundyense реагує на різних ворогів. Цей горезвісний динофлагелат, наприклад, біля північно-східного узбережжя США, неодноразово славився масштабними масовими розробками і, таким чином, став кошмаром для тамтешніх мідійних фермерів. У лабораторії дослідники стикалися з ним не лише з копеподами, а й з різними мідіями та морськими бризками, які належать до циндатів. Крім того, інфузорії та хижі динозаври на початку були одноклітинними супротивниками.
У цьому експерименті всі досліджені багатоклітинні клітини спонукали водорості стимулювати вироблення паралітичних токсинів мідій. Цей ефект був особливо сильним, коли динофлагелати мали справу з морськими бризками. Вони реагували на них у середньому у два з половиною рази сильніше, ніж на всі інші групи досліджуваних груп тварин. І це може мати фатальні наслідки, особливо в США, побоюються дослідники. Наприклад, біля Нової Англії є численні прибережні середовища існування, де морські бризки домінують у донному житті. І саме там знову і знову відбуваються масові розробки динофлагелатів, які можуть особливо отруйно реагувати на це сусідство.
Молюски, такі як сині мідії та піщані льодовики, випробувані в експерименті, не викликають настільки бурхливих реакцій, але вони все одно мають чітко вимірюваний ефект. Вони теж можуть збільшити вироблення токсину і тим самим накопичувати все більшу кількість токсину у своєму власному тілі. Як результат, вони можуть не тільки становити смертельну небезпеку для своїх споживачів, але в якийсь момент їм також буде завдано шкоди. Якщо потім вони фільтрують із води все менше і менше водоростей, отруйна квітка може набути ще більших розмірів - порочне коло.
Однак на перший погляд одноклітинні водорості, здається, дають проблиск надії. Вони не викликали посиленої реакції на отруту в експериментах - мабуть, тому, що вони не мають нервової системи, на яку токсини можуть атакувати. Хижі динофлагелати та інфузорії можуть містити отруйні квіти, а не робити їх ще більш небезпечними, підсумовують дослідники. Однак, зрадницькі водорості, схоже, знайшли зброю і проти цих супротивників. Вчені кілька разів спостерігали, що одноклітинні організми гинуть, харчуючись видами александрію - незалежно від того, виробляють вони паралітичні токсини мідій чи ні. Ганс Дам та його колеги також дослідили, що за цим стоїть. Відповідно до цього, Alexandrium tamarense також виробляє так звані реактивні форми кисню на додаток до відомих нейротоксинів. Ці агресивні речовини руйнують клітинні стінки одноклітинних хижаків і тим самим засуджують їх до смерті.
Водорості на підйомі
Таким чином, маленькі отруйники створюють найкращі умови для масового розмноження. І цілком може бути, що останнім часом людина ще більше полегшила їм життя. Токсичне цвітіння водоростей не є чимось новим. Не тільки чоловіки Джорджа Ванкувера мали з цим болісний досвід, подібні явища відомі в Європі вже більше 100 років. Але є вказівки на те, що зараз вони все частіше переслідують кілька морських регіонів світу.
Наприклад, для прибережних вод Китаю, морські дослідники, що працюють із Дудінгом Лу з Лабораторії морських екосистем та біогеохімії в Ханчжоу, зафіксували значне збільшення цих подій з 1970-х років. Зараз влада там реєструє близько 60 отруйних квітів на рік, включаючи дуже великі, що простягаються на понад 1000 квадратних кілометрів. І особливо за останні два десятиліття морські біологи в Китаї виявили більше отруйних видів водоростей, ніж будь-коли раніше. На думку дослідників, за цим розвитком є кілька факторів. Одним з них є збільшення забруднення прибережних вод поживними речовинами від сільського господарства та стічних вод. У гирлі річки Янцзи за 40 років концентрація нітратів потроїлася. І існує ряд отруйних видів водоростей, які можуть отримати вигоду від такого сплеску добрив. Крім того, низка нових отруйників потрапила у води Китаю в баластній воді кораблів.
Подібні ефекти обговорюються для багатьох інших морських регіонів. Цілком можливо, що досягнення технологій вимірювання та збільшення токсичної аквакультури просто привернули більше уваги до токсичного цвітіння водоростей. Більшість експертів вважають, що дуже ймовірно, що люди насправді сприяють цим подіям. На додаток до надмірного запліднення морів, зміна клімату також може зіграти свою роль. У Північній Атлантиці та Північному та Балтійському морях є дані, що підвищення температури води призвело до збільшення динофлагелатів і що ці організми з’являються там на початку року.
На сьогодні, однак, бракувало довгострокових спостережень для кращої оцінки таких можливих тенденцій та їх наслідків. А заглянути в майбутнє ще складніше. Тим паче, що не тільки підвищення температури, а й численні непрямі наслідки зміни клімату можуть призвести до збільшення росту водоростей, таких як зміна шару шару і умови течії у воді. Або сильніші опади, які в деяких регіонах можуть призвести до набухання річок і, таким чином, вимивати більше поживних речовин у море. У будь-якому випадку, варто стежити за отруйниками океанів - особливо зараз: понад 200 років після першої задокументованої жертви смертельного отруєння мідіями.