Transcript БИОфизика ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ4 (3.3Mб, ppt)

Фитопланктон
Хищны
е рыбы
Бактерии
Хищный
зоопланктон,
рыбы
Зоопланктон
(рачки)
Фитопланктон
(водоросли)
Минеральные вещества (Р, N)
Определение
планктона
Организмы чье распределение в водной
толще в основном определяется
течениями. Однако многие планктонные
организмы способны передвигаться или
имеют специальные механизмы контроля
своей плавучести и положения в водной
толще.
Важность
Составляют основной источник
первичной и вторичной продукции в
водных экосистемах (обычно намного
больше как по биомассе так и про
продукции чем более заметные виды,
такие как рыбы или высшие растения).
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
Проф. Фридрих Юттнер
«Современная
химическая водная
экология»
http://gazeta.sfu-kras.ru/node/567
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
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. Сине-зеленые водоросли 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
2. Состояние
клетки
4r2 = площадь сферы;
4/3r3 = объем; A/V = 3/r
Конкуренция фитопланктона за
ресурсы
Модель конкуренции Давида Тильмана
Пропускаем
смертность
Что же произойдет в случае двух
лимитирующих рост биогенов?
Пример двух диатомовых видов
Исход конкуренции между двумя
видами зависит от относительной
доступности двух биогенов
P/Si растет =
выигрывает
Cyclotella
P/Si падает =
выигрывает
Asterionella
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
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).
Адаптивные возможности
фотосинтезирующей системы
водорослей
Фотосинтетический аппарат водорослей способен
приспосабливаться к интенсивности и спектральному
составу света.
1) Общая закономерность - содержание всех
пигментов снижается при увеличении
интенсивности света
2) Теория хроматической адаптации - при
освещении фотосинтезирующих микроорганизмов
цветным светом усиливается биосинтез тех
пигментов, которые лучшим образом поглощают
свет данного участка спектра.
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
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 физикохимией)
достаточно долго.
Толща воды озера – десятки различных ниш
(свет, температура, кислород, биогены,
соленость и т.п.)
6 August 1999
16 July 1999
0
Biomass, mg/l
0
0.5
1
1.5
Biomass, mg/l
1
1.5
2
2.5
0.1
Biomass of Botryococcus, mg/l
0.2
0
2
2
0
2
4
6
Depth, m
4
6
Depth, m
0.5
8
10
12
8
10
12
14
16
14
16
18
20
18
0
0
0.2
0.4
Biomass of Botryococcus, mg/l
0.6
Synechocystis sp.
Microcystis sp.
Lyngbya contorta
Cyclotella tuberculata
Dictyosphaerium tetrachotomum
Botryococcus braunii