Мурманское побережье находится за полярным кругом, оно достаточно холодное на протяжении всего года. Другой особенностью является то, что побережье находится под влиянием тёплого атлантического течения, идущего с запада на восток.
На суше Мурманского побережья растительность представлена тундровыми сообществами, с низким видовым разнообразием, с преобладанием лишайников и невысоких кустарничков. Тогда как в море в прибрежной зоне на преобладающих здесь твёрдых грунтах идут мощные заросли крупных бурых водорослей, формирующие настоящие подводные леса, с большим разнообразием и высокой биомассой беспозвоночных животных и водорослей.
Продолжительная зима, короткое и прохладное лето, большое количество пасмурных дней в году являются характерными чертами радиационного режима этого района.
Для данного района характерны значительные изменения фотопериода – от полярного дня (23 мая-21 июля), когда солнце не опускается ниже горизонта круглые сутки, до полярной ночи (1 декабря-13 января), когда солнце не поднимается над горизонтом. Интенсивность фотосинтетически активной радиации (ФАР) начинает увеличиваться в конце января, при появлении солнца над горизонтом после полярной ночи, и особенно быстро возрастает весной, максимум – в апреле. Интенсивность радиации, достигающей поверхности моря, существенно зависит от погодных условий. После полярной ночи первыми в активный фотосинтез включаются макроводоросли – в начале-середине февраля. Активная вегетация фитопланктона в губе Дальнезеленецкой начинается в конце апреля, т.е. примерно на два месяца позднее, чем у макроводорослей.
Среднемесячная температура воздуха изменяется от +100С в августе до –80С в феврале (по многолетним данным Дальнезеленецкой гидрометеостанции). Низкая температура воздуха (ниже 0оС) держится с ноября по март. Зимой водоросли, обитающие на литорали, подвергаются губительному воздействию отрицательных температур воздуха при постоянно дующих сильных ветрах (они обмерзают и покрываются коркой льда), а летом – иссушающему влиянию относительно высоких летних температур, что также небезопасно для обитателей литорали при сильном ветре в яркие солнечные дни.
Среднегодовая температура воды на поверхности составляет +3,50С, минимальная среднемесячная температура воды на поверхности наблюдается в феврале (-1,50С), максимальная (+90С) в августе. Температура воды на поверхности приобретает устойчивые положительные значения в конце марта – начале апреля. Зимой в этом районе сплошного ледяного покрова не образуется, но в холодные дни при северных и северо-восточных ветрах в кутовых частях губ может формироваться временный ледяной припай. Прикромочный лёд срывает водоросли со скал и верхушек валунов при волнении моря в штормовую погоду.
Солёность воды на поверхности составляет в среднем около 33,50/00. В начале лета при интенсивном таянии снега и льда на озёрах при увеличении материкового стока она может уменьшаться до 290/00, а осенью возрастает до 34,50/00.
Биогенные вещества накапливаются в прибрежных водах в осенне-зимний период и с апреля по август интенсивно потребляются фототрофными организмами. Водоросли могут использовать азот в форме неорганических соединений, таких как нитрат, нитрит и аммоний и в виде органических соединений (мочевина, аминокислоты). Для макроводорослей предпочтительнее использование азота в виде нитратов и аммония; фосфор обычно используется в виде ортофосфатов и органических соединений. Для района характерны закономерные сезонные изменения в содержании биогенов в морской воде в прибрежной зоне: низкие концентрации – в поздневесенний и летний периоды.
Большую роль в сезонной жизни водорослей прибрежной зоны моря в условиях слабо защищенного Мурманского побережья имеет динамика интенсивности движения воды. В районе губы Дальнезеленецкой действуют интенсивные приливо-отливные течения, приливы правильные полусуточные, высота сизигийных (наибольших) приливов достигает в губе 4,5 м. Волнение является постоянно действующим фактором на побережье, характерны шторма, особенно сильные в осенне-зимний период. Движение воды – мощный положительный фактор, регулирующий приток питательный веществ к гидробионтам и отток метаболитов, - контролирует основные процессы жизнедеятельности морских растений. Интенсивное движение воды способствует хорошему перемешиванию водных масс и поднятию биогенов с более глубоких слоёв. С другой стороны, в условиях открытого Мурманского побережья это и мощный разрушительный фактор: во время штормов срываются и выносятся на берег даже глубоко живущие макроводоросли, которые прочно прикрепляются к субстрату своими ризоидами или подошвами.
Вегетационный период водорослей на Мурманском побережье составляет около девяти месяцев (середина февраля – начало ноября), микроводорослей – немного короче. Продолжительность вегетационного периода определяется, в первую очередь, световым режимом и ограничено длиной полярной ночи. Свет лимитирует процессы фотосинтеза водорослей с конца октября до начала февраля. Существенное влияние на вегетацию водорослей в прибрежной зоне оказывает низкая температура воздуха и воды, которая оказывает сдерживающие влияние на развитие водорослей в конце зимы – ранней весной. Это особенно сказывается на водорослях литорали, которые подвергаются влиянию отрицательных температур воздуха. Следует подчеркнуть, что на всём своём протяжении вегетационный период водорослей на Мурманском побережье является достаточно холодным. Особенно важно, что холодной является весна – период интенсивного роста и развития микро- и макроводорослей.
***
Из арктических островов баренцевоморского региона архипелагу Земля Франца-Иосифа свойственны наиболее суровые климатические условия. Архипелаг расположен к северу от 80о с.ш. и представляет собой систему крупных и мелких островов, разделённых глубокими проливами; район характеризуется морским арктическим климатом. ЗФИ свойственны интенсивная циклоническая деятельность, крайне низкие среднегодовые и летние температуры воздуха, значительная облачность и частые туманы летом. Характерными чертами гидрологического режима являются малое количество солнечного тепла вследствие высокоширотного положения архипелага, преобладание холодных вод Арктического бассейна, небольшое поступление тёплых атлантических вод, распреснение поверхностного слоя в летний период за счёт таяния снега и льда. Ледяной покров держится в течение большей части года на всей акватории архипелага. Вегетационный период водорослей составляет здесь не более трёх месяцев.
Характерно отсутствие солнечного сияния на протяжении 245 суток в году и наличие мощного ледового покрова, который существенно снижает проникновение света в морскую среду. Солнечная радиация поступает лишь в течение полярного дня, однако и в это время интенсивность света относительно невысока, поскольку солнце не поднимается над горизонтом выше 330 в полдень.
Вегетационный период водорослей является холодным, температура воды даже летом – около 00С. Таяние снега и льда начинается в конце апреля – начале мая. В это время начинает разрушаться ледяной покров на открытых участках моря. А в сентябре вновь начинается льдообразование. Летом температура и солёность воды в поверхностном слое в прибрежной зоне могут сильно меняться, средние значения составляют -0,5…+4,50С и 33‰ и ниже.
Морской лёд местный, однолетний, в отдельные годы может встречаться многолетний лёд, принесённый из Арктического бассейна. Вследствие наличия ледников практически на всех островах Земли Франца-Иосифа в проливах архипелага встречается большое количество айсбергов и их обломков, которые могут оказывать существенное разрушительное влияние на биоту в прибрежной зоне островов.
***
В зависимости от среды обитания различают морские и пресноводные водоросли. Водоросли живут в толще воды, на поверхности дна водоёма и на различных субстратах, например, на других водорослях, а также могут жить и внутри других организмов. Выделяют три основные экологические группы водорослей: планктонные, бентосные, симбиотические. Кроме того, важное значение в условиях северных морей имеют особые группы водорослей, обитающих в экстремально холодных условиях, – снежных и ледяных биотопах.
Общим и главным признаком всех водорослей является их роль как первичных продуцентов. Путём фотосинтеза они превращают энергию солнечного излучения в химическую энергию органических соединений. Как первичные продуценты они составляют основу пищевых цепей в водных местообитаниях. Важность этой продукции можно оценить, вспомнив, что 70% поверхности Земли покрыто водой. Многие водорослевые сообщества чрезвычайно продуктивны и соперничают в этом смысле с наземными экосистемами.
В Мировом океане различают толщу воды – пелагиаль – это область распространения пелагических организмов (фитопланктона) и морское дно – бенталь, заселённую бентосными организмами (или донными). Микрофитобентос представлен микроскопическими водорослями, живущими на поверхности субстратов или проникающими даже в толщу грунта. Макрофитобентосные водоросли прикрепляются к камням и валунам, нередко и к ракушкам, другим водорослям и широко представлены только на твердых субстратах (скалы, валуны, камни).
Фитопланктон – наиболее широко распространенная из всех экологических групп водорослей; это и понятно, поскольку Мировой океан занимает 2\3 поверхности нашей планеты. Фитопланктон встречается практически во всех водоёмах. Слово планктон переводится как “парящий”. Водоросли, входящие в состав планктона, имеют микроскопические размеры, это преимущественно одноклеточные, но среди них есть колониальные и нитчатые формы. Большинство планктонных форм не связано в своем существовании с берегом или дном, однако жизненный цикл некоторых мелководных форм включает бентосные покоящиеся стадии. С другой стороны, во всех группах водорослей, за исключением багрянок, имеются планктонные стадии, поэтому в прибрежной зоне хотя бы временно могут пополнять планктон зооспоры бентосных бурых и зелёных водорослей.
Бентосные водоросли могут быть макроскопическими (макрофитобентос) или представлены микроскопическими формами (микрофитобентос). Морские бентосные макроводоросли относятся к трём основным группам: бурые, красные и зелёные водоросли. В умеренных областях мощные заросли на морских побережьях с твёрдым субстратом формируют бурые водоросли, прежде всего фукусовые на литорали и ламинариевые – в верхней сублиторали.
Литораль – прибрежная зона морского дна, осушающаяся во время отлива и вновь заливаемая морской водой во время прилива. Располагается между уровнями воды в самый низкий отлив и в самый высокий прилив. При правильных полусуточных приливах (как в Мурманской области) обитатели литорали дважды в сутки меняют среду обитания, они находятся в воде в прилив и осушаются на отливе.
В разные сезоны года на протяжении суток литоральные растения и животные (на приливе и отливе) подвергаются резкой смене температуры и солёности. Они выдерживают воздействие яркого солнца в полярный день, когда при сильном ветре на солнце водоросли высыхают до абсолютно сухого состояния. А зимой в полярную ночь на отливе на незамерзающем Мурманском побережье водоросли покрываются ледяной коркой, снегом. Несмотря на столь суровые условия, имеющие место на литорали в условиях северных морей, эта зона заселена крупными бурыми, красными и зелеными водорослями, на которых и под покровом которых обитают многочисленные беспозвоночные животные и более мелкие водоросли. Обширные заросли на литорали Мурманского побережья Баренцева и побережье Белого морей формируют бурые водоросли – фукусовые, со средней биомассой до 10 кг/м2. В арктических районах приливы невысокие (не более 1 м), в полосе литорали жизнь сильно обеднена из-за льдов, присутствующих практически постоянно на протяжении года и оказывающих отрицательное воздействие на биоту.
Сублитораль – прибрежная часть океана, непосредственно примыкающая к литорали, и идёт до глубины 200 м, это зона морского дна, относящаяся к шельфу. Это наиболее богатая жизнью зона моря, в которой обитают представители практически всех крупных систематических групп морских организмов. Морские растения как фотосинтетические организмы ограничены освещённой частью моря, известной как фотическая зона. Нижняя граница фотической зоны зависит от степени проникновения света в водную среду, её средняя глубина в Мировом океане составляет около 100 м, в Баренцевом море – на глубине 50 м.
Для верхней сублиторали (это тот горизонт, где произрастают бентосные водоросли) в умеренных и холодных водах характерны мощные заросли ламинариевых (бурые водоросли), с биомассой свыше 10 кг/м2. Это настоящий подводный лес с множеством самых разных обитателей. На Мурманском побережье заросли бурых водорослей могут идти до глубины 25-30 м, отдельные экземпляры ламинарий встречаются и глубже. К сублиторали приурочены основные запасы промысловых рыб и беспозвоночных.
Супралитораль – побережье океана, расположенное выше литорали, т.е. выше уровня воды в самый высокий прилив, но подверженное эпизодическому воздействию океанических вод при нагонах, волнении и штормах. Это зона заплеска морских волн и брызг во время прибоя; в тихих заливах и бухтах она не выражена. Заселена супралитораль обычно синезелёными водорослями, лишайниками в морских северных водоёмах.
Лишайники являются примером симбиотических ассоциаций водорослей с грибами. Они широко распространены в тундровой зоне, в прибрежных арктических экосистемах. Лишайники – комплексные организмы, включающие микобионта (на 90-95% тело лишайника состоит именно из гриба) и фикобионта (водоросли). Особый интерес представляет необычная экологическая группа амфибиотических лишайников, например, на Кольском полуострове Dermatocarpon – на кромке пресных водоёмов, или Verrucaria – на морском побережье, которые развиваются в непосредственной близости от воды – в зоне брызг или на литорали, т.е. могут жить одновременно в воздушной и водной средах.
Криоводоросли – водоросли снежных и ледяных биотопов – весьма характерная группа для северных экосистем. Путешественники по Хибинам сталкиваются со снежными полями, окрашенными в красный цвет, они называют такое явление «арбузным» снегом. Красный цвет снега образуется при цветении одноклеточной зелёной водоросли – хламидомонады снежной. Характерной особенностью водорослей снежных биотопов является жизнедеятельность в небольших лужицах талой воды при температуре около 0 0С, когда на ледниках в горах много света. В случае ледяных биотопов в морской среде, например, при массовом развитии водорослей на нижней кромке льда, условия другие: здесь и низкая температура воды, и мало света, который особым образом проникает сквозь лёд по «световым каналам». Водоросли снежных и ледяных биотопов способны выдерживать промерзание клеток без нарушения жизнедеятельности, оттаивать и возобновлять вегетацию.
Лёд в море – весьма динамичный субстрат. Водоросли развиваются в лужах на таящем льду, кроме того, заселяют боковые стенки и нижнюю поверхность льдин, при этом они воспринимают нижнюю кромку как «перевёрнутое» дно. Лёд, окрашенный в бурый цвет, - это явление давно известно и описано моряками, работающими на трассе Северного морского пути. Солёность в лужицах, каналах и канальцах морского льда, где обитают микроводоросли, весьма различается. В море на ледяных биотопах доминируют морские виды, в основном диатомовые, но встречаются и другие.
***
Экологические группы микроводорослей и макроводорослей, обитающие в северных морских и пресноводных биотопах весьма разнообразны.
На литорали хорошо развит пояс фукоидов с доминирующими видами Fucus vesiculosus, F. distichus, F. serratus и Ascophyllum nodosum. В прибойных местах на литорали имеется пояс красных водорослей с доминирующими видами Palmaria palmata и Devaleraea ramentacea.
В сублиторали имеется мощный пояс ламинариевых с доминированием Laminaria saccharina, L. digitata и Alaria esculenta, а также Desmarestia aculeata. На открытом побережье массовым видом является Laminaria hyperborea. Верхняя граница пояса ламинарий на Мурманском побережье поднимается в нижний горизонт литорали.
На выходе из губ глубже пояса ламинарий имеется пояс красных водорослей.
Макроводоросли играют ведущую роль в образовании биомассы в большинстве сообществ литорали и верхней сублиторали на глубине от 0 до 20-30 м на Мурманском побережье. На долю водорослей приходится 66-96 % от общей биомассы организмов в биоценозах пояса фукоидов и ламинариевых, в поясе красных водорослей относительная биомасса водорослей снижается до 10-30 %. Наибольшая биомасса водорослей наблюдается на глубинах 0-5 м, иногда 0-10 м (в открытых частях губ), и резко снижается на глубинах свыше 15-20 м. Во внутренних частях губы, где преобладают мягкие грунты, с каменистой грядой на литорали, наблюдается постепенное снижение биомассы водорослей от литорали к 8 м глубины, что обусловлено характером распределения каменистого субстрата.
Средняя биомасса водорослей в губах Мурманского побережья сравнима с уровнем средних величин биомассы водорослей, отмечаемых для побережья Белого моря, Норвегии, Исландии, Северного моря, восточного побережья Канады.
Пик развития большинства сообществ макроводорослей на Мурманском побережье наблюдается летом; минимум – в конце осени-зимой.
Флора макроводорослей шельфа архипелага Земля Франца-Иосифа – суровых арктических островов, окружённых льдами на протяжении всего года, - насчитывает 63 вида. Видовой состав водорослей архипелага заметно беднее, чем в соседних районах Северного Ледовитого океана, находящихся под влиянием атлантических вод, например, на побережье Восточной Гренландии или Шпицбергена. Преобладающей группой по числу видов, обилию, занимаемой площади дна являются бурые (ламинариевые) водоросли.
На литорали в арктических районах растительность почти полностью отсутствует, что связано с истирающим действием льдов, а сублиторальная растительность на мелководье архипелага Земля Франца-Иосифа хорошо развита, распределение макроводорослей определяется ледовыми условиями.
Слабая освещённость из-за ледяного и снежного покрова, длительная полярная ночь, отрицательная температура воды обусловливают низкую потенциальную продукционную ёмкость среды в арктической зоне. Эти факторы ограничивают число видов, которые могут развиваться в пределах арктической зоны. Факторами, препятствующими расселению водорослей в Арктике, являются широкое распространение неблагоприятных для поселения водорослей мягких грунтов и истирающее действие подвижного льда.
При интенсивном исследовании и освоении прибрежных морских биологических ресурсов всё настойчивее входят в нашу жизнь и морские водоросли. Развитие аквахозяйств на побережье Баренцева и Белого морей предполагает более полное использование ресурсов макроводорослей.
Во-первых, водоросли – постоянный элемент питания человека. С древнейших времен (850 г. до н.э.) в Китае используются виды ламинарии (Laminaria) и порфиры (Porphyra). В ежедневный пищевой рацион монахов Соловецкого монастыря на Белом море входила морская капуста (ламинария). Сторонники вегетарианского питания считают, что морские водоросли в качестве морских овощей должны быть неотъемлемым компонентом диеты.
Известно около 160 съедобных водорослей (25 видов зеленых, 54 бурых, 81 красных). Считается, что растворимые углеводы морских водорослей включаются в обмен веществ, но структурные углеводы усваиваются плохо. Некоторые съедобные морские водоросли содержат до 20-30 % белка от сухого веса (например, порфира). Морские водоросли – прекрасный источник витаминов и микроэлементов.
На побережье Баренцева и Белого морей из видов, используемых в пищу, достаточно широкое распространение имеют бурые водоросли – ламинария (Laminaria saccharina, морская капуста), красные – виды порфиры (Porphyra), пальмария (Palmaria palmatа), из зелёных – ульвария (Ulvaria obscura, морской салат).
Издавна бурые водоросли использовались для получения соды и йода, но затем им на смену пришли минеральные ресурсы. При Соловецком монастыре уже в XIX веке было организовано небольшое производство йода, брома и соды из морских водорослей.
Водоросли, выброшенные на берег прибоем после штормов, применяются в качестве удобрений во всех районах с прибрежными сельскохозяйственными угодьями. Удобрения из водорослей имеют то преимущество, что в них нет семян сорняков и спор патогенных грибов. Выпускаются жидкие удобрения, полностью или частично производимые из водорослей и предназначенные для использования в тепличном хозяйстве. Они повышают всхожесть семян растений, урожайность, выносливость, устойчивость к болезням.
Альгинаты (соли альгиновой кислоты) получают из бурых водорослей. В Северной Атлантике альгинаты получают, главным образом, из ламинариевых и фукусовых водорослей. Альгинаты находят широкое применение. Они используются в текстильной и бумажной промышленности для проклеивания бумаги и придания глянца; при нанесении красок. В пищевой промышленности выявлен высокий уровень безопасности альгинатов при добавлении их в пищевые продукты.
Альгинаты используются и при выращивании растений – как вещество, скрепляющее почвенные частицы, хорошо удерживающее воду. Разработана технология применения альгинатов для восстановления растительного покрова в условиях Крайнего Севера, например, на отвалах использованной руды.
Фукоидан – полисахарид, который извлекают из фукусовых водорослей, он образует вязкие растворы, обладающие коллоидными свойствами. Растворы фукоидана обладают антикоагулянтной и антитромботическая активностью, иммуномодулирующим действием, антиопухолевыми свойствами.
В Баренцевом и Белом морях имеются значительные запасы ламинариевых и фукусовых водорослей, которые можно использовать для извлечения альгинатов и фукоиданов.
Каррагинаны – группа веществ, получаемых из красных водорослей. В Северной Атлантике в промышленном масштабе они извлекаются из видов хондрус (Сhondrus), фурцеллярия (Furcellaria), филлофора (Phyllophora). Каррагинаны используются в пищевой и фармацевтической промышленности как эмульгаторы и стабилизаторы, как клеящее вещество в текстильном производстве.
Запасы водорослей, которые добываются для извлечения каррагинанов, весьма ограничены в Баренцевом и Белом морях.
Агар – желирующее вещество, которое получают из ряда видов красных водорослей, в том числе из анфельции (Ahnfeltia). Основное использование агара – в микробиологии в качестве универсальной среды для выращивания микроорганизмов.
Первоначально он использовался для приготовления желе из фруктов и овощей. Агар используется для изготовления кондитерских изделий – леденцов, мармелада, которые благодаря агару ломаются ровно и не выглядят тягучими и липкими. Агароза используется в хроматографии для выделения и очистки биологических макромолекул (вакцин, гормонов, ферментов). Агар и агароза применяются в электрофорезе, при генном картировании, выделении фрагментов ДНК.
В Белом море обширные заросли агарофита Ahnfeltia plicata имеют промысловое значение. Агар из анфельции отличается высоким качеством. На Мурманском побережье этот вид встречается редко.
Водоросли все шире применяются в косметике. Альгинаты используются как эмульгаторы и стабилизаторы в кремах, мылах, шампунях, зубных пастах, масках, лосьонах. Альгинатные гели безопасны, легко наносятся на кожу и хорошо переносятся, способствуя размягчающему и увлажняющему действию крема с их добавками. Они активируют и стабилизируют пену при использовании мыла и шампуня. В зубных пастах альгинаты играют роль загустителей, делая пасту мягкой и тягучей. В лосьонах для волос альгинаты покрывают волосы, позволяя легко делать прическу, и придают волосам шелковистость и внешний блеск. Агаровые гели используются в таких препаратах как дезодорантные палочки, крем для загара, крем для лечения дерматитов.
Есть все основания считать, что водоросли арктических регионов будут находить и иные применения, чтобы сделать нашу жизнь более здоровой.
Автор: Елена Васильевна Шошина, доктор биологических наук, заведующая кафедрой биологии Мурманского государственного технического университета.
По материалам учебного пособия: «Шошина Е. В., Макаревич П. Р. Морская ботаника». – Мурманск: Изд-во МГТУ, 2016. – 176 с.
Фотографии М.В. Макарова.
