Зоопланктон — гетеротрофный компонент планктонного сообщества (префикс «зоо-» происходит от древнегреческого : ζῷον , романизированного : zôion , буквально «животное»), которому для своего развития необходимо потреблять другие организмы. Планктон — это водные организмы, которые не способны эффективно плыть против течения. Следовательно, они дрейфуют или переносятся течениями в океане или течениями в морях , озерах или реках .
Зоопланктон можно противопоставить фитопланктону ( цианобактериям и микроводорослям ), которые являются растительным компонентом планктонного сообщества (префикс «фито-» происходит от древнегреческого: φῠτόν , романизированного: phutón , букв. «растение», хотя таксономически не растения ). Зоопланктон гетеротрофен (питается другими), тогда как фитопланктон автотрофен (питается сам), часто генерируя биологическую энергию и макромолекулы посредством фиксации хлорофильного углерода с использованием солнечного света — другими словами, зоопланктон не может производить свою собственную пищу, в то время как фитопланктон может. В результате зоопланктон должен получать питательные вещества , питаясь другими организмами , такими как фитопланктон, которые, как правило, меньше зоопланктона. Большинство зоопланктона микроскопичны , но некоторые (например, медузы ) макроскопичны , то есть их можно увидеть невооруженным глазом . [1]
Многие простейшие (одноклеточные протисты , которые охотятся на другие микроскопические организмы) являются зоопланктоном, включая зоофлагелляты , фораминиферы , радиолярии , некоторые динофлагелляты и морские микроживотные. Макроскопический зоопланктон включает пелагических книдарий , гребневиков , моллюсков , членистоногих и оболочников , а также планктонных стреловидных червей и многощетинковых червей .
Различие между автотрофией и гетеротрофией часто нарушается в очень мелких организмах. Недавние исследования морского микропланктона показали, что более половины микроскопического планктона являются миксотрофами , которые могут получать энергию и углерод из смеси внутренних пластид и внешних источников. Многие морские микрозоопланктоны являются миксотрофными, что означает, что их также можно классифицировать как фитопланктон.
Зоопланктон ( / ˈ z oʊ . ə p l æ ŋ k t ən / ; [2] / ˌ z oʊ . ə ˈ p l æ ŋ k t ən / ) [3] — гетеротрофный (иногда детритофаговый ) планктон . Слово зоопланктон происходит от древнегреческого : ζῷον , латинизированного : zôion , букв. 'животное'; и πλᾰγκτός , planktós , 'странник; бродяга». [4]
Зоопланктон — это категоризация, охватывающая ряд размеров организмов , включая мелких простейших и крупных метазоа . Она включает голопланктонные организмы, полный жизненный цикл которых находится в пределах планктона, а также меропланктонные организмы, которые проводят часть своей жизни в планктоне, прежде чем перейти либо в нектон , либо в сидячее , бентосное существование. Хотя зоопланктон в основном переносится окружающими водными течениями, многие из них обладают локомоцией , используемой для избегания хищников (например, при суточной вертикальной миграции ) или для увеличения частоты встреч с добычей.
Зоопланктон, как и любой вид, может быть ограничен в пределах географического региона. Однако виды зоопланктона не распределены равномерно или хаотично в пределах региона океана. Как и в случае с фитопланктоном, «пятна» видов зоопланктона существуют по всему океану. Хотя над мезопелагиалью существует мало физических барьеров , определенные виды зоопланктона строго ограничены соленостью и температурными градиентами, в то время как другие виды могут выдерживать широкие температурные и соленые градиенты. [5] Пятнистость зоопланктона также может зависеть от биологических факторов, а также от других физических факторов. Биологические факторы включают размножение, хищничество, концентрацию фитопланктона и вертикальную миграцию. [5] Физическим фактором, который больше всего влияет на распределение зоопланктона, является перемешивание водной толщи ( апвеллинг и нисходящий нисходящий поток вдоль побережья и в открытом океане), что влияет на доступность питательных веществ и, в свою очередь, на производство фитопланктона. [5]
Благодаря потреблению и переработке фитопланктона и других источников пищи зоопланктон играет роль в водных пищевых цепях , как ресурс для потребителей на более высоких трофических уровнях (включая рыбу), и как канал для упаковки органического материала в биологическом насосе . Поскольку они, как правило, малы, зоопланктон может быстро реагировать на увеличение численности фитопланктона, [ необходимо разъяснение ] например, во время весеннего цветения . Зоопланктон также является ключевым звеном в биомагнификации загрязняющих веществ , таких как ртуть . [6]
Экологически важные группы простейших зоопланктона включают фораминиферы , радиолярии и динофлагелляты (последние из них часто являются миксотрофными ). Важный метазойный зоопланктон включает книдарий , таких как медузы и португальский кораблик ; ракообразных, таких как ветвистоусые рачки , веслоногие рачки , остракоды , изоподы , амфиподы , мизиды и криль ; щетинкочелюстных (черви-стрелки); моллюсков, таких как крылоногие ; и хордовых, таких как сальпы и молодь рыб. Этот широкий филогенетический диапазон включает в себя столь же широкий диапазон в поведении питания: фильтрация , хищничество и симбиоз с автотрофным фитопланктоном , как это наблюдается у кораллов. Зоопланктон питается бактериопланктоном , фитопланктоном, другим зоопланктоном (иногда каннибализмом ), детритом (или морским снегом ) и даже нектонными организмами . В результате зоопланктон в основном встречается в поверхностных водах, где пищевые ресурсы (фитопланктон или другой зоопланктон) в изобилии.
Зоопланктон также может выступать в качестве резервуара болезней . Было обнаружено, что ракообразный зоопланктон является домом для бактерии Vibrio cholerae , которая вызывает холеру , позволяя холерным вибрионам прикрепляться к их хитиновым экзоскелетам . Эти симбиотические отношения повышают способность бактерии выживать в водной среде, поскольку экзоскелет обеспечивает бактерию углеродом и азотом. [8]
Размер тела был определен как «главный признак» для планктона, поскольку это морфологическая характеристика, общая для организмов во всей таксономии, которая характеризует функции, выполняемые организмами в экосистемах. [9] [10] Он оказывает первостепенное влияние на рост, воспроизводство, стратегии питания и смертность. [11] Одно из старейших проявлений биогеографии признаков было предложено более 170 лет назад, а именно правило Бергмана , в котором полевые наблюдения показали, что более крупные виды, как правило, встречаются в более высоких, холодных широтах. [12] [13]
В океанах размер имеет решающее значение для определения трофических связей в планктонных экосистемах и, таким образом, является критическим фактором в регулировании эффективности биологического углеродного насоса . [14] Размер тела чувствителен к изменениям температуры из-за тепловой зависимости физиологических процессов. [15] Планктон в основном состоит из пойнтхомеров , которые являются организмами, которые не вырабатывают достаточного метаболического тепла для повышения температуры своего тела, поэтому их метаболические процессы зависят от внешней температуры. [16] Следовательно, пойнтхомеры растут медленнее и достигают зрелости при большем размере тела в более холодной среде, что долгое время озадачивало биологов, поскольку классические теории эволюции жизненного цикла предсказывают меньшие размеры взрослых особей в средах, задерживающих рост. [17] Эта закономерность изменения размера тела, известная как правило температуры и размера (TSR), [18] наблюдалась для широкого спектра пойнтхомеров, включая одноклеточные и многоклеточные виды, беспозвоночных и позвоночных. [17] [19] [13]
Процессы, лежащие в основе обратной зависимости между размером тела и температурой, еще предстоит определить. [17] Несмотря на то, что температура играет важную роль в формировании широтных изменений размера организмов, эти закономерности могут также зависеть от сложных взаимодействий между физическими, химическими и биологическими факторами. Например, снабжение кислородом играет центральную роль в определении величины экзотермических температурно-размерных реакций, но трудно отделить относительные эффекты кислорода и температуры от полевых данных, поскольку эти две переменные часто тесно взаимосвязаны на поверхности океана. [20] [21] [13]
Зоопланктон можно разделить на размерные классы [22], которые различаются по своей морфологии, рациону, стратегиям питания и т. д. как внутри классов, так и между классами:
Микрозоопланктон определяется как гетеротрофный и миксотрофный планктон. Он в основном состоит из фаготрофных простейших , включая инфузории, динофлагелляты и науплии мезозоопланктона . [23] Микрозоопланктон является основным травоядным в сообществе планктона. Как основные потребители морского фитопланктона, микрозоопланктон потребляет ~ 59–75% ежедневно от морской первичной продукции , что намного больше, чем мезозоопланктон. При этом макрозоопланктон иногда может иметь более высокие показатели потребления в эвтрофных экосистемах, поскольку там может доминировать более крупный фитопланктон. [24] [25] Микрозоопланктон также является основным регенератором питательных веществ, которые подпитывают первичную продукцию и являются источниками пищи для метазоа. [25] [26]
Несмотря на свою экологическую значимость, микрозоопланктон остается недостаточно изученным. Рутинные океанографические наблюдения редко отслеживают биомассу микрозоопланктона или скорость травоядности, хотя метод разбавления, элегантный метод измерения скорости травоядности микрозоопланктона, разрабатывался почти четыре десятилетия (Лэндри и Хассетт, 1982). Количество наблюдений скорости травоядности микрозоопланктона составляет около 1600 во всем мире, [27] [28] что намного меньше, чем количество наблюдений первичной продуктивности (> 50 000). [29] Это затрудняет проверку и оптимизацию функции выпаса микрозоопланктона в моделях океанических экосистем. [26]
Поскольку планктон редко вылавливается, утверждается, что численность и видовой состав мезопланктона можно использовать для изучения реакции морских экосистем на изменение климата. Это связано с тем, что их жизненные циклы обычно длятся менее года, что означает, что они реагируют на изменения климата между годами. Редкие ежемесячные выборки все равно будут указывать на колебания. [30]
Простейшие — это простейшие , которые питаются органическими веществами, такими как другие микроорганизмы или органические ткани и мусор. [31] [32] Исторически простейшие считались «одноклеточными животными», поскольку они часто обладают поведением, подобным животным , таким как подвижность и хищничество , и не имеют клеточной стенки , как это наблюдается у растений и многих водорослей . [33] [34] Хотя традиционная практика объединения простейших с животными больше не считается обоснованной, этот термин по-прежнему используется в широком смысле для обозначения одноклеточных организмов, которые могут двигаться независимо и питаться гетеротрофно .
К морским простейшим относятся зоофлагелляты , фораминиферы , радиолярии и некоторые динофлагелляты .
Радиолярии — одноклеточные хищные простейшие, заключенные в сложные шаровидные раковины, обычно сделанные из кремния и пронизанные отверстиями. Их название происходит от латинского слова «радиус». Они ловят добычу, просовывая части своего тела через отверстия. Как и в случае с кремниевыми панцирями диатомовых водорослей, раковины радиолярий могут опускаться на дно океана, когда радиолярии умирают, и сохраняться как часть океанического осадка . Эти останки, как микроископаемые, предоставляют ценную информацию о прошлых океанических условиях. [35]
Подобно радиоляриям, фораминиферы ( сокращенно фораминиферы ) являются одноклеточными хищными простейшими, также защищенными раковинами с отверстиями. Их название происходит от латинского слова «носители отверстий». Их раковины, часто называемые панцирями , имеют камеры (фораминиферы добавляют больше камер по мере роста). Раковины обычно состоят из кальцита, но иногда из слипшихся частиц осадка или хитона и (редко) кремния. Большинство фораминифер являются бентосными, но около 40 видов являются планктонными. [36] Они широко исследуются с помощью хорошо известных ископаемых записей, которые позволяют ученым делать много выводов о прошлых средах и климате. [35]
Динофлагелляты — тип одноклеточных жгутиконосцев , насчитывающий около 2000 морских видов. [38] Некоторые динофлагелляты являются хищниками и, таким образом, принадлежат к сообществу зоопланктона. Их название происходит от греческого «dinos», означающего вращение , и латинского «flagellum», означающего кнут или плеть . Это относится к двум кнутообразным прикреплениям (жгутикам), используемым для движения вперед. Большинство динофлагеллят защищены красно-коричневой целлюлозной броней. Экскаваты, возможно, являются самой базальной линией жгутиконосцев. [39]
Динофлагелляты часто живут в симбиозе с другими организмами. Многие насселлярии радиолярий содержат симбионтов динофлагеллят в своих раковинах. [40] Насселлярии обеспечивают динофлагеллят аммонием и углекислым газом , в то время как динофлагелляты обеспечивают насселлярии слизистой оболочкой, полезной для охоты и защиты от вредных захватчиков. [41] Анализ ДНК свидетельствует о том, что симбиоз динофлагеллят с радиоляриями развился независимо от других симбиозов динофлагеллят, таких как с фораминиферами . [42]
Миксотроф — это организм, который может использовать смесь различных источников энергии и углерода , вместо того, чтобы иметь единственный трофический режим в континууме от полной автотрофии на одном конце до гетеротрофии на другом. По оценкам, миксотрофы составляют более половины всего микроскопического планктона. [45] Существует два типа эукариотических миксотрофов: те, у которых есть собственные хлоропласты , и те, у которых есть эндосимбионты , а также другие, которые приобретают их посредством клептопластии или путем порабощения всей фототрофной клетки. [46]
Различие между растениями и животными часто исчезает в очень маленьких организмах. Возможные комбинации: фото- и хемотрофия , лито- и органотрофия , авто- и гетеротрофия или другие их комбинации. Миксотрофы могут быть как эукариотическими , так и прокариотическими . [47] Они могут использовать различные условия окружающей среды. [48]
Многие морские микрозоопланктоны являются миксотрофными, что означает, что их также можно классифицировать как фитопланктон. Недавние исследования морского микрозоопланктона показали, что 30–45% численности инфузорий были миксотрофными, и до 65% биомассы амебоидных, фораминифер и радиолярий были миксотрофными. [49]
Виды Phaeocystis являются эндосимбионтами радиолярий акантариан . [52] [53] Phaeocystis — важный род водорослей, встречающийся в составе морского фитопланктона по всему миру. Он имеет полиморфный жизненный цикл, варьирующийся от свободноживущих клеток до крупных колоний. [54] Он обладает способностью образовывать плавающие колонии, в которых сотни клеток заключены в гелевую матрицу, которая может значительно увеличиваться в размерах во время цветения . [55] В результате Phaeocystis вносит важный вклад в морские циклы углерода [56] и серы . [57]
Некоторые фораминиферы являются миксотрофными. Они имеют одноклеточные водоросли в качестве эндосимбионтов , из различных линий, таких как зеленые водоросли , красные водоросли , золотистые водоросли , диатомовые водоросли и динофлагелляты . [36] Миксотрофные фораминиферы особенно распространены в бедных питательными веществами океанических водах. [58] Некоторые фораминиферы являются клептопластическими , сохраняя хлоропласты из поглощенных водорослей для проведения фотосинтеза . [59]
По трофической ориентации динофлагелляты встречаются повсюду. Известно, что некоторые динофлагелляты фотосинтезируют , но большая часть из них на самом деле миксотрофны , сочетая фотосинтез с поглощением добычи ( фаготрофия ). [60] Некоторые виды являются эндосимбионтами морских животных и других простейших и играют важную роль в биологии коралловых рифов . Другие предшествуют другим простейшим, а несколько форм являются паразитами. Многие динофлагелляты миксотрофны и также могут быть классифицированы как фитопланктон. Токсичный динофлагеллят Dinophysis acuta приобретает хлоропласты от своей добычи. «Он не может поймать криптофитов самостоятельно, а вместо этого полагается на поглощение инфузорий, таких как красная Myrionecta rubra , которые выделяют свои хлоропласты из определенной клады криптофитов (Geminigera/Plagioselmis/Teleaulax)». [50]
Свободноживущие виды класса ракообразных Copepoda обычно имеют длину от 1 до 2 мм с каплевидными телами. Как и у всех ракообразных, их тела разделены на три отдела: голову, грудь и брюшко, с двумя парами усиков; первая пара часто длинная и выступающая. У них прочный экзоскелет из карбоната кальция и обычно один красный глаз в центре прозрачной головы. [61] Известно около 13 000 видов веслоногих рачков, из которых около 10 200 являются морскими. [62] [63] Они обычно являются одними из наиболее доминирующих членов зоопланктона. [64]
В дополнение к веслоногим рачкам, классы ракообразных остракоды , бранхиоподы и малакостраки также имеют планктонных членов. Морские желуди являются планктонными только на личиночной стадии. [65]
Ихтиопланктон — это икра и личинки рыб («ichthyo» происходит от греческого слова « рыба »). Они являются планктонными, потому что не могут эффективно плавать самостоятельно, а должны дрейфовать с океанскими течениями. Икра рыб вообще не может плавать и однозначно является планктонной. Личинки на ранней стадии плавают плохо, но личинки на поздней стадии плавают лучше и перестают быть планктонными, когда вырастают в молодь рыб . Личинки рыб являются частью зоопланктона, который питается более мелким планктоном, в то время как икра рыб несет свой собственный запас пищи. Икра и личинки сами по себе поедаются более крупными животными. [66] [67]
Студенистый зоопланктон включает гребневиков , медуз , сальп и щетинкочелюстных в прибрежных водах. Медузы — медленные пловцы, и большинство видов составляют часть планктона. Традиционно медузы рассматривались как трофические тупики, второстепенные игроки в морской пищевой сети , студенистые организмы с планом тела, в значительной степени основанным на воде, которая имеет небольшую пищевую ценность или интерес для других организмов, за исключением нескольких специализированных хищников, таких как океанская солнечная рыба и кожистая морская черепаха . [68] [69]
Недавно эта точка зрения была оспорена. Медузы и более студенистый зоопланктон в целом, который включает сальпы и гребневики , очень разнообразны, хрупки, не имеют твердых частей, их трудно увидеть и контролировать, они подвержены быстрым колебаниям популяции и часто живут неудобно далеко от берега или глубоко в океане. Ученым трудно обнаружить и проанализировать медуз в кишечнике хищников, поскольку они превращаются в кашу, когда их едят, и быстро перевариваются. [68] Но медузы цветут в огромных количествах, и было показано, что они образуют основные компоненты в рационе тунца , копьеносца и рыбы-меч, а также различных птиц и беспозвоночных, таких как осьминоги , морские огурцы , крабы и амфиподы . [70] [69] «Несмотря на низкую плотность энергии, вклад медуз в энергетический бюджет хищников может быть намного больше, чем предполагалось, из-за быстрого пищеварения, низких затрат на отлов, доступности и избирательного питания более богатыми энергией компонентами. Питание медузами может сделать морских хищников восприимчивыми к проглатыванию пластика». [69] Согласно исследованию 2017 года, наркомедузы потребляют наибольшее разнообразие мезопелагической добычи, за которыми следуют физонекты , сифонофоры , гребневики и головоногие моллюски . [71]
Важность так называемой «студенистой сети» только начинает осознаваться, но, похоже, медузы, гребневики и сифонофоры могут быть ключевыми хищниками в глубоководных пелагических пищевых сетях с экологическими последствиями, аналогичными воздействию хищных рыб и кальмаров. Традиционно студенистые хищники считались неэффективными поставщиками морских трофических путей, но они, по-видимому, играют существенную и неотъемлемую роль в глубоководных пелагических пищевых сетях . [71]
Выпас одноклеточного зоопланктона составляет большую часть органической потери углерода от первичной морской продукции . [72] Однако выпас зоопланктона остается одним из ключевых неизвестных в глобальных прогностических моделях потока углерода, структуры морской пищевой сети и характеристик экосистемы, поскольку эмпирические измерения выпаса редки, что приводит к плохой параметризации функций выпаса. [73] [74] Для преодоления этого критического пробела в знаниях было предложено сосредоточить усилия на разработке приборов, которые могут связать изменения в биомассе фитопланктона или оптических свойствах с выпасом. [72]
Выпас является центральным, устанавливающим скорость процессом в экосистемах океана и движущей силой морского биогеохимического цикла . [75] Во всех экосистемах океана выпас гетеротрофных протистов составляет единственный наибольший фактор потерь морской первичной продукции и изменяет распределение размеров частиц. [76] Выпас влияет на все пути экспортной продукции, делая выпас важным как для поверхностных, так и для глубинных углеродных процессов. [77] Прогнозирование центральных парадигм функционирования экосистемы океана, включая реакции на изменение окружающей среды, требует точного представления выпаса в глобальных биогеохимических, экосистемных и кросс-биомных моделях сравнения. [73] Несколько крупномасштабных анализов пришли к выводу, что потери фитопланктона, в которых доминирует выпас, являются предполагаемым объяснением годовых циклов биомассы фитопланктона, темпов накопления и экспортной продукции. [78] [79] [74] [72]
Помимо связывания первичных производителей с более высокими трофическими уровнями в морских пищевых сетях , зоопланктон также играет важную роль в качестве «переработчиков» углерода и других питательных веществ, которые существенно влияют на морские биогеохимические циклы , включая биологический насос . Это особенно важно в олиготрофных водах открытого океана. Через неаккуратное питание, выделение, экскрецию и выщелачивание фекальных гранул зоопланктон выделяет растворенное органическое вещество (РОВ), которое контролирует цикл РОВ и поддерживает микробную петлю . Эффективность поглощения, дыхание и размер добычи еще больше усложняют то, как зоопланктон способен преобразовывать и доставлять углерод в глубины океана . [76]
Выделение и неаккуратное питание (физическое разрушение источника пищи) составляют 80% и 20% высвобождения РОВ, опосредованного ракообразным зоопланктоном соответственно. [83] В том же исследовании было обнаружено, что выщелачивание фекальных гранул вносит незначительный вклад. У простейших травоядных РОВ высвобождается в основном через экскрецию и испражнение, а желеобразный зоопланктон также может высвобождать РОВ посредством выработки слизи. Выщелачивание фекальных гранул может длиться от нескольких часов до нескольких дней после первоначального испражнения, и его последствия могут варьироваться в зависимости от концентрации и качества пищи. [84] [85] Различные факторы могут влиять на то, сколько РОВ высвобождается из особей или популяций зоопланктона. Эффективность поглощения (AE) — это доля пищи, поглощенной планктоном, которая определяет, насколько доступны потребленные органические материалы для удовлетворения требуемых физиологических потребностей. [76] В зависимости от скорости кормления и состава добычи, изменения в AE могут привести к изменениям в производстве фекальных гранул и, таким образом, регулировать, сколько органического материала возвращается обратно в морскую среду. Низкие скорости кормления обычно приводят к высоким AE и небольшим плотным гранулам, в то время как высокие скорости кормления обычно приводят к низким AE и более крупным гранулам с большим содержанием органики. Другим фактором, способствующим высвобождению DOM, является скорость дыхания. Физические факторы, такие как доступность кислорода, pH и условия освещенности, могут влиять на общее потребление кислорода и на то, сколько углерода теряется зоопланктоном в форме вдыхаемого CO2 . Относительные размеры зоопланктона и добычи также опосредуют, сколько углерода выделяется при неаккуратном питании. Более мелкая добыча потребляется целиком, тогда как более крупная добыча может питаться более «неаккуратно», то есть больше биоматериала выделяется при неэффективном потреблении. [86] [87] Также имеются данные о том, что состав рациона может влиять на высвобождение питательных веществ, поскольку плотоядные диеты выделяют больше растворенного органического углерода (РОУ) и аммония, чем всеядные диеты. [84]
Зоопланктон играет важную роль в поддержании биологического насоса океана посредством различных форм экспорта углерода, включая производство фекальных гранул, слизистых кормовых сетей, линьки и трупов. Предполагается, что фекальные гранулы вносят большой вклад в этот экспорт, при этом размер веслоногих рачков, а не численность, как ожидается, определит, сколько углерода фактически достигает дна океана. Важность фекальных гранул может варьироваться как по времени, так и по местоположению. Например, цветение зоопланктона может производить большее количество фекальных гранул, что приводит к большему экспорту углерода. Кроме того, по мере того, как фекальные гранулы тонут, они перерабатываются микробами в толще воды, что может таким образом изменить углеродный состав гранул. Это влияет на то, сколько углерода перерабатывается в эвфотической зоне и сколько достигает глубины. Вклад фекальных гранул в экспорт углерода, вероятно, недооценен; Однако в настоящее время разрабатываются новые достижения в количественной оценке этого производства, включая использование изотопных сигнатур аминокислот для характеристики того, сколько углерода экспортируется через производство фекальных гранул зоопланктона. [89] Туши также получают признание как важные факторы, вносящие вклад в экспорт углерода. Желейные падения — массовое погружение студенистых туш зоопланктона — происходят по всему миру в результате обширного цветения. Из-за своего большого размера этот студенистый зоопланктон, как ожидается, будет содержать большее содержание углерода, что делает их тонущие туши потенциально важным источником пищи для бентосных организмов . [76]